Квантовый холодильник отлично очищает рабочее пространство квантового компьютера

Если вы хотите решить математическую задачу на старой доброй меловой доске, вам нужно, чтобы доска была чистой и свободной от всех предыдущих пометок, чтобы у вас было место для работы.

Квантовые компьютеры испытывают аналогичную потребность в чистом рабочем пространстве, и команда ученых из Национального института стандартов и технологий (NIST) нашла инновационный и эффективный способ его создания и поддержания.

Исследование, проведенное в сотрудничестве с физиками из шведского Технологического университета Чалмерса, может решить одну из главных проблем, стоящих перед разработчиками квантовых компьютеров: необходимость держать биты в сверхпроводящем квантовом процессоре свободными от ошибок и готовыми к выполнению вычислений в любой момент, когда это необходимо. Эти «кубиты», как известно, чувствительны к теплу и радиации, которые могут испортить их вычисления так же, как следы от мела могут сделать цифру 1 похожей на 7.

Чтобы стереть эти кубиты после вычислений, нужно охладить их на доли градуса выше абсолютного нуля и держать в таком состоянии. Разработанный командой метод не только более эффективен, чем другие современные способы стирания мела с кубитов, благодаря более низким температурам, но и достигается новым способом — ластик питается теплом, протекающим между двумя частями холодильника, который поддерживает холод в компьютере. Этот подход может оказаться полезным и в других областях.

Техника, описанная в этой статье, может принести пользу квантовым компьютерам, — говорит Николь Юнгер Халперн, физик из NIST и Объединенного центра квантовой информации и информатики (QuICS) при Университете Мэриленда.

Это может решить одну из проблем в разработке квантового компьютера, а также покажет, что мы можем отводить тепло от одной части холодильника компьютера и преобразовывать его в работу. Это может открыть технологические возможности, о которых мы еще даже не подозревали.

Доказательная демонстрация метода опубликована в журнале Nature Physics.

Хотя квантовые компьютеры еще не достигли зрелости, они остаются объектом интенсивных исследований, поскольку обладают потенциалом для выполнения определенных задач, которые обычным компьютерам не под силу, включая моделирование сложных молекулярных структур, важных для разработки лекарств. Эти прогнозируемые возможности обусловлены различием между кубитами и битами в обычном компьютере: В то время как обычный бит может существовать в двух состояниях — 1 или 0, кубиты могут иметь оба значения одновременно, что номинально позволяет квантовому компьютеру просеивать огромное количество потенциальных решений одновременно.

Перспективный способ создания кубитов — это создание их из сверхпроводящих цепей, которые команда использовала в своем исследовании. Сверхпроводящие кубиты обладают такими преимуществами, как настраиваемость: Экспериментаторы могут изменять свойства кубитов по своему усмотрению. Однако в сверхпроводящих кубитах могут очень быстро возникать ошибки, которые могут испортить расчеты.

Стирание сверхпроводящего кубита означает его сброс в состояние с наименьшей энергией, что оказалось непростой задачей. Эффективным способом сброса квита было бы сделать его как можно более холодным, до десятков милликельвинов (мК), или тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. До сих пор лучшие методы сброса приводили кубиты в диапазон 40-49 мК. Хотя эти цифры могут показаться хорошими, они недостаточно хороши, говорит соавтор и квантовый физик Аамир Али из Технологического университета Чалмерса, где проводилась экспериментальная работа под руководством главного исследователя Симоне Гаспаринетти.

В квантовом компьютере начальные ошибки могут усугубляться по мере выполнения вычислений, — говорит Али.

Чем больше вы можете избавиться от них на начальном этапе, тем больше усилий вы сэкономите в дальнейшем.

Метод команды позволяет охладить кубит до 22 мК. Это позволит более полно стереть плату, уменьшив вероятность того, что начальные ошибки приведут к проблемам в дальнейшем.

Если бы вы не охладили кубит до такой низкой температуры, вы бы не смогли стереть плату так же тщательно, — говорит Юнгер Халперн.

Команда добилась таких показателей, используя технику «квантового охлаждения», которая никогда ранее не применялась в практических машинах. Холодильник охлаждает предметы, используя определенный вид энергии для отвода тепла от внутренних частей холодильника. В обычном кухонном холодильнике источником энергии является электричество, но квантовый холодильник будет использовать тепло из других частей компьютера для выполнения этой работы.

В холодильнике команды в качестве компонентов используются еще два квантовых бита. Один кбит, подключенный к более теплой части компьютера, будет служить источником энергии. Второй квантовый бит будет служить теплоотводом, в который будет уходить нежелательное дополнительное тепло вычислительного кубита. В настоящем квантовом компьютере, если вычислительный кубит — меловая доска — слишком нагреется, первый кубит холодильника будет перекачивать тепло от вычислительного кубита в теплоотвод, который будет отводить тепло, возвращая вычислительный кубит в почти заземленное состояние и стирая доску.

Процесс работает автономно, требуя минимального внешнего контроля или дополнительных ресурсов для поддержания способности вычислительного кубита к вычислениям.

Мы думаем, что этот подход проложит путь к более надежным квантовым вычислениям, — говорит Али.

Сейчас в квантовых компьютерах сложно справиться с ошибками. Приближение к основному состоянию приведет к уменьшению количества ошибок, которые нужно будет исправлять в дальнейшем, сокращая количество ошибок до их возникновения.

Ранее ученые показали новую квантовую архитектуру.

Новый квантовый холодильник, изображенный на иллюстрации, основан на сверхпроводящих цепях. Устройство, охлаждающее кубиты до рекордно низких температур, состоит из двух кубитов — горячего (вверху справа) и холодного (внизу справа), — которые охлаждают третий, целевой кубит (внизу слева). Питаясь теплом от близлежащей горячей среды, квантовый холодильник автономно извлекает тепловую энергию из целевого кубита и сбрасывает ее в холодную среду. В результате целевой кубит достигает высококачественного основного состояния с минимальной ошибкой, что позволяет проводить эффективные квантовые вычисления. Устройство было создано в лаборатории нанофабрикатов Myfab при Технологическом университете Чалмерса (Швеция). Источник: Chalmers University of Technology/Boid AB/NIST

09.01.2025