Физици разработиха нова ефективна система за защита от прегряване.

В света на науката има едно просто правило: за прецизни изчисления компютърът трябва да започва всяко изчисление отначало. Това важи за всяка изчислителна система, но е особено трудно да се спази това изискване при квантовите машини – техните елементи са твърде чувствителни към топлината и излъчванията, поради което е трудно да се поддържат първоначалните им параметри. Група физици от Технологичния университет „Чалмърс“ в Швеция е намерила решение на проблема. Те са разработили квантов хладилник за изчислителни системи, работещи със свръхпроводящи елементи. Устройството е в състояние да ги охлади до рекордно ниската температура от 22 миликелвина, което помага за запазване на първоначалните параметри преди започване на изчисленията.

Свръхпроводимите схеми се превърнаха в основно направление при разработването на квантови компютри. При изключително ниски температури в тях се появяват специфични енергийни нива, благодарение на които информацията може да се записва в две различни състояния: базово и възбудено. Подобно на битовете в конвенционалния компютър, всеки квантов елемент може да се намира или в едно от тези състояния, или в тяхната квантова суперпозиция. Тази способност за влизане в състояние на суперпозиция дава възможност на машината да проверява едновременно няколко решения на даден проблем – огромно предимство пред конвенционалните компютри.

При стартирането всички квантови елементи трябва да останат в базово състояние, което изисква максимално охлаждане. Дори и най-добрите криогенни съоръжения обаче не могат да изолират напълно елементите от външната топлина. Част от тях натрупват достатъчно енергия за преминаване във възбудено състояние. Това внася грешки още в началото на работата, които се натрупват с напредването на задачата. В резултат на това се налага да се изразходват все повече ресурси за коригиране на грешките.

Екипът на Гаспаринети е измислил как да реши този проблем – чрез използване на квантов охладител, който отнема излишната топлина, като използва разликата в температурите. Такава разлика възниква по естествен начин в криогенните съоръжения за квантови компютри. Охлаждащите елементи са разположени на нива: всяко следващо ниво е по-студено от предишното, а на последното ниво температурата спада до около 10 миликелвина.

Квантовият хладилник се базира на два ключови елемента: „горещ“ квантов бит, свързан с източник на топлина при температура около 5 келвина, и „студен“ кутрит – елемент с три квантови енергийни нива, свързан с най-студената част на криостата. Енергийните интервали на двата елемента са прецизно настроени спрямо параметрите на третия – „работния“ бит, който извършва изчисленията. Тази настройка осигурява ефективен пренос на топлината. Ако работният елемент е възбуден, неговата енергия заедно с част от топлината от горещия бит премества студения кутрит на по-високо енергийно ниво. В същото време работният елемент се връща в първоначалното си положение, подготвяйки се за нови изчисления. Натрупаната енергия на кутрита се отдава на криостата и също се връща в основно състояние.

Тестовете показаха, че системата е в състояние да охлади един свръхпроводящ квантов бит до 22 миликелвина. При тази температура вероятността за спонтанното му възбуждане пада под 3 × 10-4 – значително подобрение в сравнение с цифрата 10-3 в сега съществуващите квантови компютри. Освен това допълнителното охлаждане ускорява подготовката на устройството за работа – възбуденият елемент се охлажда 70 пъти по-бързо, отколкото само с криостат.

За да се охладят всички елементи на квантовия компютър, дизайнът ще трябва да се усъвършенства, но тази демонстрация на работа на този принцип показва как законите на квантовата термодинамика могат да се прилагат за решаване на ключови проблеми в квантовите компютри.

Авторите на разработката виждат и други перспективи за своето изобретение.

„Ако пуснете такъв хладилник в обратна посока, той се превръща в двигател. Той може да се използва например за захранване на автономни квантови часовници“, обяснява Юнгер Халперн.