Квантовые компьютеры – это обещание революции в самых разных областях, от медицины и энергетики до криптографии и искусственного интеллекта. Однако, чтобы реализовать этот потенциал, необходимы сверхточные вычисления, а для этого требуется экстремальное охлаждение. Одна из главных преград на пути к массовому внедрению квантовых компьютеров – это сложность поддержания кубитов, их строительных блоков, при температурах, близких к абсолютному нулю.
Но теперь ученые из Технологического университета Чалмерса (Швеция) и Университета Мэриленда (США) сделали прорыв, разработав новый тип холодильника, способный автономно охлаждать сверхпроводящие кубиты до необходимых температур. Это открытие открывает путь к созданию более надежных и стабильных квантовых вычислительных систем.
В чём же заключается уникальность квантовых компьютеров? В отличие от классических компьютеров, оперирующих битами, которые могут принимать значения 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты. Кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно быть и 0, и 1. Это позволяет им выполнять параллельные вычисления, предоставляя огромную вычислительную мощность и возможности, недоступные классическим компьютерам.
Однако, квантовые вычисления до сих пор ограничены в возможностях из-за ошибок. Кубиты чрезвычайно чувствительны к окружающей среде. Даже малейшие электромагнитные помехи могут случайным образом менять их значения, вызывая ошибки и препятствуя работе квантового компьютера. Как говорит Аамир Али, эксперт по квантовым технологиям из Технологического университета Чалмерса: “Кубиты очень чувствительны к окружающей среде. Даже малейшие электромагнитные помехи могут нарушить их работу”.
Именно здесь на помощь приходит новый холодильник. Он решает проблему нестабильности кубитов за счет автономного поддержания сверхнизких температур. Это важный шаг на пути к созданию надёжных квантовых компьютеров, которые могут справиться со сложнейшими задачами, в том числе с моделированием новых лекарств, разработкой более эффективных энергетических систем и взломом самых защищённых шифров.
Демонстрирует рекордно низкие температуры. Прорыв к сверхточным вычислениям.
В основе работы многих современных квантовых компьютеров лежат сверхпроводящие электрические цепи. Эти цепи, обладающие нулевым электрическим сопротивлением, идеально сохраняют квантовую информацию. Но для того, чтобы кубиты в таких системах работали стабильно и без ошибок, их необходимо охлаждать до экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю. Это примерно минус 273,15 градуса по Цельсию или 0 Кельвинов – граница, к которой стремится холод во Вселенной.
Такое охлаждение необходимо, чтобы перевести кубиты в состояние с наименьшей энергией, так называемое основное состояние, что является необходимым условием для начала квантовых вычислений. Это состояние можно сравнить с «нулевой» точкой отсчёта, с которой начинаются все вычисления.
Сегодня для этих целей используются рефрижераторы с разбавлением, которые охлаждают кубиты примерно до 50 милликельвинов выше абсолютного нуля. Однако, чем ближе мы подходим к абсолютному нулю, тем сложнее и энергозатратнее становится процесс охлаждения. Согласно законам термодинамики, полное достижение абсолютного нуля является, в принципе, невозможным.
Но вот ученые из Технологического университета Чалмерса и Мэрилендского университета совершили прорыв. Они разработали новый тип квантового холодильника, который способен дополнять традиционные рефрижераторы с разбавлением и самостоятельно охлаждать сверхпроводящие кубиты до рекордно низких температур.
Этот инновационный квантовый холодильник описан в статье под названием “Квантовый холодильник с тепловым приводом автономно перезапускает сверхпроводящий кубит” в журнале Nature Physics.
“Наш холодильник основан на сверхпроводящих схемах и, что особенно важно, он питается от тепла из окружающей среды! Он способен автономно охлаждать кубит до 22 милликельвинов, что позволяет проводить квантовые вычисления без постоянного внешнего контроля. Это открывает двери к более надежным и безошибочным квантовым вычислениям, требующим меньших затрат”, - объясняет Аамир Али, ведущий автор исследования.
Самым поразительным является то, что новый холодильник увеличил вероятность нахождения кубита в основном состоянии перед началом вычислений до удивительных 99,97%, что значительно превышает показатели предыдущих методов, составлявшие от 99,8% до 99,92%. Это, на первый взгляд, незначительная разница, при многочисленных вычислениях приводит к значительному повышению эффективности квантовых компьютеров и их надежности.
Магия перекачки тепла с помощью кубитов.
Как же работает этот новый, удивительный квантовый холодильник? Секрет кроется во взаимодействии между кубитами, элементарных частицах, которые лежат в основе квантовых вычислений. В центре процесса находится целевой кубит, который необходимо охладить. Для этого используются два дополнительных кубита, выполняющих роль квантовых “охладителей”.
Рядом с одним из кубитов-охладителей создается теплая среда, которая подобна “горячей тепловой ванне”. Эта ванна отдает энергию одному из кубитов-охладителей, приводя его в действие.
Как объясняет Николь Юнгер Халперн, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Мэриленда, “Энергия из тепловой среды, проходя через один из кубитов квантового холодильника, действует как насос, перекачивая тепло от целевого кубита к другому кубиту-охладителю, который изначально является холодным. Этот кубит, получив тепло, затем сбрасывает его в холодную среду, и таким образом целевой кубит охлаждается.”
Представьте себе, что у вас есть три ведерка: одно с горячей водой (целевой кубит), и два пустых (кубиты-охладители). Вы черпаете горячую воду из первого ведерка и переливаете ее во второе, используя третье ведерко в качестве насоса. Затем второе ведерко выливаете в холодное пространство. Вот так примерно и работает квантовый холодильник.
Главное, что эта система полностью автономна. Запустив её, нет необходимости в дополнительном управлении. Холодильник “питается” от тепла, которое естественным образом возникает из-за разницы температур между двумя его термокамерами, что делает его очень эффективным и удобным в использовании.
“Наша работа — это, возможно, первая демонстрация автономной квантовой тепловой машины, которая выполняет реальную задачу. Мы начинали этот эксперимент, чтобы просто проверить концепцию, и были приятно поражены, увидев, что наш холодильник работает лучше, чем все известные до этого методы охлаждения кубитов”, — поделилась Симона Гаспаринетти, ведущий автор исследования из Технологического университета Чалмерса.
Таким образом, этот новый квантовый холодильник показывает, как сложные процессы на уровне кубитов могут привести к созданию совершенно новых и эффективных технологий, меняющих наше представление о возможностях охлаждения и квантовых вычислений.
Спасибо, что дочитали до конца!
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀