Самый холодный в мире квантовый компьютер считает в 70 раз быстрее

Физики разработали новую эффективную систему защиты от перегрева.

В мире науки существует простое правило: для точных расчетов компьютер должен начинать каждый расчет с нуля. Это касается любой вычислительной системы, но особенно сложно соблюсти это требование в квантовых машинах — их элементы слишком чувствительны к нагреву и излучению, поэтому сложно поддерживать их первоначальные параметры. Группа физиков из Технологического университета Чалмерса в Швеции нашла решение проблемы. Они разработали квантовый холодильник для вычислительных систем, работающих со сверхпроводящими элементами. Устройство способно охладить их до рекордно низкой температуры в 22 милликельвина, что помогает сохранить исходные параметры перед началом расчетов.

Сверхпроводящие схемы стали основным направлением разработки квантовых компьютеров. При экстремально низких температурах в них появляются особые энергетические уровни, благодаря которым информация может записываться в двух разных состояниях: основном и возбужденном. Подобно битам в обычном компьютере, каждый квантовый элемент может находиться либо в одном из этих состояний, либо в их квантовой суперпозиции.. Эта способность входить в состояние суперпозиции позволяет машине одновременно проверять несколько решений данной проблемы — огромное преимущество перед обычными компьютерами.

При запуске все квантовые элементы должны оставаться в основном состоянии, что требует максимального охлаждения.. Однако даже самое лучшее криогенное оборудование не может полностью изолировать элементы от внешнего тепла. Некоторые из них накапливают достаточно энергии, чтобы перейти в возбужденное состояние. Это вносит ошибки в самом начале работы, которые накапливаются по мере выполнения задачи. В результате на исправление ошибок приходится тратить все больше и больше ресурсов.

Команда Гаспаринетти придумала, как решить эту проблему — с помощью квантового охладителя, который отводит лишнее тепло, используя разницу температур. Такая разница естественным образом возникает в криогенных квантовых вычислительных установках. Охлаждающие элементы расположены по уровням: каждый последующий уровень холоднее предыдущего, а на последнем уровне температура падает примерно до 10 милликельвинов.

Квантовый холодильник основан на двух ключевых элементах: «горячем» квантовом бите, соединенном с источником тепла с температурой около 5 Кельвинов, и «холодном» квантовом бите. кутрит – элемент с тремя квантовыми энергетическими уровнями, соединенный с самой холодной частью криостата. Энергетические интервалы двух элементов точно настроены на параметры третьего — «рабочего» бита, выполняющего вычисления. Такая настройка обеспечивает эффективную передачу тепла. Если рабочий элемент возбужден, его энергия вместе с частью тепла от горячего долота переводит холодный кутрит на более высокий энергетический уровень. При этом рабочий элемент возвращается в исходное положение, готовясь к новым расчетам. Накопленная энергия кутрита отдается криостату и также возвращается в основное состояние.

Испытания показали, что система способна охладить сверхпроводящий квантовый бит до 22 милликельвинов. При этой температуре вероятность его самопроизвольного возбуждения падает ниже 3×10-4 – значительное улучшение по сравнению с показателем 10-3 в существующих квантовых компьютерах. Кроме того, дополнительное охлаждение ускоряет подготовку устройства к работе — возбуждаемый элемент остывает в 70 раз быстрее, чем при использовании только криостата.

Чтобы охладить все элементы квантового компьютера, потребуется усовершенствовать конструкцию, но эта рабочая демонстрация этого принципа показывает, как законы квантовой термодинамики можно применять для решения ключевых проблем квантовых компьютеров.

Авторы разработки видят и другие перспективы своего изобретения.

«Если запустить такой холодильник в противоположном направлении, он станет двигателем. Его можно использовать, например, для питания автономных квантовых часов», — объясняет Юнгер Хальперн.