Международная группа ученых из Швейцарской высшей технической школы Лозанны (EFPL) совершила прорыв в области квантовых вычислений, разработав двумерную систему охлаждения, которая способна понижать температуру компонентов до 100 милликельвинов (-272,85°C). Для справки, это на порядок холоднее, чем температура в открытом космическом пространстве. Уникальность данной технологии заключается в ее способности трансформировать тепло в электрическое напряжение.
Важность новой технологии заключается в том, что для высокой эффективности квантовых вычислений требуются экстремально низкие температуры, так как квантовые биты (кубиты) крайне чувствительны к тепловому воздействию. Следовательно, для стабильной работы квантового компьютера вычислительные компоненты необходимо охлаждать до температур ниже 1 Кельвина. Даже минимальное тепло, выделяемое электроникой квантового компьютера, может существенно снизить эффективность кубитов.
Один из участников исследования, аспирант лаборатории LANES Габриэле Паскуале, привел пример: "Представьте ноутбук в прохладном помещении. При работе он нагревается и чтобы не допустить перегрева, применяется система воздушного охлаждения, которая в итоге повышает температуру помещения вокруг вычислительного устройства. А в современных квантовых системах на данный момент нет эффективного способа изолировать кубиты от этого тепла".
Паскуале также подчеркнул уникальность их разработки: "Мы первыми разработали устройство, которое обладает эффективностью преобразования, сопоставимой с современными технологиями, но работает при низких магнитных полях и ультранизких температурах, необходимых для квантовых систем. Это действительно значительный шаг вперед".
Традиционные методы охлаждения неэффективны при таких низких температурах, поэтому обычно тепловыделяющие компоненты физически отделяют от квантовых схем. Однако это приводит к увеличению шума и снижению эффективности квантового компьютера, ограничивая возможности создания масштабных систем вне специализированных лабораторий.
Ученые лаборатории LANES присвоили своей инновационной разработке название "двумерная квантовая система охлаждения", что напрямую связано с методологией ее изготовления. Новый инновационный материал, имеющий толщину лишь в несколько атомарных слоев (что может показаться невероятным), демонстрирует свойства, характерные для плоских, двумерных структур. Уникальное сочетание графеновых компонентов и ультратонкой двумерной архитектуры обеспечивает беспрецедентный уровень производительности и эффективности устройства.
Принцип работы этой инновационной системы основан на эффекте Нернста - термомагнитном явлении, при котором в проводнике с магнитным полем и температурным градиентом возникает электрическое поле.
Авторы исследования отметили значимость их открытия: "Наша работа - это серьезный шаг вперед в области нанотехнологий. Она открывает путь к созданию передовых систем охлаждения, критически важных для квантовых вычислений при сверхнизких температурах. Мы уверены, что это достижение может полностью изменить подход к разработке систем охлаждения для технологий будущего".