Инженеры нашли способ охлаждать квантовые системы с помощью микроволнового шума

Величайшее обещание квантовых компьютеров остается их величайшим парадоксом: те же условия, которые позволяют кубитам выполнять необычные вычисления, также делают их чрезвычайно нестабильными. Даже малейшая вибрация, фотон или тепловое колебание могут стереть информацию.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции предприняли противоречивый шаг к решению этой проблемы — использовали шум вместо его устранения.

В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, команда раскрывает то, что она называет «минимальным квантовым холодильником». Устройство работает не за счет экранирования кубитов от помех, а за счет использования контролируемой случайности (точно настроенный микроволновый шум) для направления теплового потока в сверхпроводящих цепях. Этот нетрадиционный подход обеспечивает новый механизм стабилизации квантовых систем, которые в противном случае были бы подавлены микроскопическими изменениями энергии.

В центре эксперимента находится сверхпроводящая «искусственная молекула», построенная не из атомов, а из электронных схем. Как и естественная молекула, она обменивается энергией через два микроволновых канала, которые служат горячим и холодным резервуаром. Когда исследователи вводят контролируемый диапазон случайных колебаний сигнала через третий канал, введенный шум инициирует и модулирует теплообмен между резервуарами, эффективно действуя как переключатель теплового потока.

Саймон Санделин, аспирант в области квантовых технологий и ведущий автор исследования, описывает этот принцип как направленное рассеяние: сознательно формируя спектр шума, команда может измерять и контролировать тепловые потоки порядка атто, показывая, как тепло ведет себя в почти неизмеримых масштабах.

Для перспективы: если бы такой небольшой ток использовался для нагрева капли воды, то для повышения ее температуры на один градус Цельсия потребовалось бы больше времени, чем возраст Вселенной.

На изображении показаны две крошечные квантовые цепи (трансмонные кубиты), соединенные микроволновыми проводами и линиями управления. Регулируя электрические сигналы в этих соединениях, исследователи могут настроить способ взаимодействия кубитов и обмена энергией, помогая им изучать, как квантовые состояния изменяются и теряют когерентность.

Идея основана на давней теоретической концепции, известной как броуновское охлаждение: представление о том, что случайное движение при правильных условиях может вызвать направленный эффект охлаждения.

Симона Гаспаринетти, доцент кафедры квантовых технологий в Чалмерсе и ведущий автор исследования, называет созданное устройство наиболее полной реализацией этой теории на сегодняшний день. Придав шуму конструктивную роль, исследователи нашли способ сбалансировать термодинамический поток в масштабе, где обычное криогенное охлаждение неэффективно.

Квантовые процессоры на основе сверхпроводящих схем — например, созданные IBM, Google и другими — должны работать при температурах, близких к абсолютному нулю (примерно – 273°С). В этих условиях электроны движутся без сопротивления, создавая запутанные состояния, которые являются основой квантовой логики.

На иллюстрации показано, как отраженный от устройства сигнал меняется с частотой зондирования и добавлением шума для двух режимов системы – симметричного (красный) и антисимметричного (синий). По мере увеличения шума графики показывают, что каждая мода теряет когерентность, что позволяет исследователям измерить скорость дефазировки.

Тем не менее, даже при температурах, близких к нулю, тепло остается одним из самых упорных противников квантовых вычислений. В крупномасштабных архитектурах количество потенциальных источников тепла и шума резко возрастает, что делает прямой термоконтроль чрезвычайно важным для любой реалистичной квантовой машины.

Минимальный квантовый холодильник, созданный учеными, не ограничивается только охлаждением. В зависимости от того, как устроены его резервуары, он также может работать как тепловой двигатель или даже усилитель. Эта гибкость может оказаться решающей при разработке модульных квантовых компонентов, которые локально управляют рассеиванием мощности процессора.

Это достижение не устраняет огромных барьеров для практических квантовых вычислений, но оно переосмысливает одну из основных проблем. Вместо того, чтобы рассматривать шум как чисто разрушительную силу, работа ученых Чалмерса показывает, что при правильном проектировании случайность может стать частью решения.