Най-голямото обещание на квантовите компютри остава и най-големият им парадокс: същите условия, които позволяват на кюбитите да извършват необикновени изчисления ги правят и изключително нестабилни. Дори най-малката вибрация, фотон или топлинно колебание могат да изтрият информацията.

Изследователи от Технологичния университет „Чалмърс“ в Швеция направиха неинтуитивна стъпка към решаването на този проблем – като използват шума, вместо да го елиминират.

В статия, публикувана неотдавна в Nature Communications, екипът разкрива това, което нарича „минимален квантов хладилник“. Устройството работи не чрез предпазване на кюбитите от смущения, а чрез използване на контролирана случайност (прецизно настроен микровълнов шум) за насочване на топлинния поток в свръхпроводящите вериги. Този неконвенционален подход осигурява нов механизъм за стабилизиране на квантови системи, които в противен случай се претоварват от микроскопични промени в енергията.

В центъра на експеримента е свръхпроводима „изкуствена молекула“, изградена не от атоми, а от електронни схеми. Подобно на естествената молекула, тя обменя енергия чрез два микровълнови канала, които служат като горещ и студен резервоар. Когато изследователите въведат контролиран диапазон от случайни колебания на сигнала през трети канал, инжектираният шум инициира и модулира топлинния пренос между резервоарите, като ефективно функционира като превключвател за топлинния поток.

Симон Сунделин, докторант по квантови технологии и водещ автор на изследването описва принципа като насочено разсейване: чрез умишлено оформяне на спектъра на шума екипът може да измерва и контролира топлинни потоци от порядъка на атовете, разкривайки как топлината се държи в почти неизмерими мащаби.

В перспектива: ако такъв малък ток се използва за затопляне на капка вода, ще е необходимо повече време от възрастта на Вселената, за да се повиши температурата ѝ с един градус по Целзий.

Идеята се основава на отдавнашна теоретична концепция, известна като Брауново охлаждане: схващането, че случайното движение, при подходящи условия може да генерира насочен охлаждащ ефект.

Симоне Гаспаринети, доцент по квантови технологии в „Чалмърс“ и главен автор на изследването нарича създаденото устройство най-пълното реализиране на тази теория досега. Придавайки на шума конструктивна роля, изследователите са намерили начин да балансират термодинамичния поток в мащаб, в който конвенционалното криогенно охлаждане не успява.

Квантовите процесори, базирани на свръхпроводящи вериги – като тези, създадени от IBM, Google и други трябва да работят при температури, близки до абсолютната нула (приблизително – 273°C). При тези условия електроните се движат без съпротивление, което дава възможност за заплетени състояния, които са в основата на квантовата логика.

И все пак, дори при температури, близки до нулата, топлината остава един от най-упоритите противници на квантовите изчисления. При широкомащабните архитектури броят на потенциалните източници на топлина и шум се увеличава драстично, което прави прекия топлинен контрол изключително важен за всяка реалистична квантова машина.

Минималният квантов хладилник, създаден от учените не се ограничава само до охлаждането. В зависимост от това как са настроени резервоарите му, той може да работи и като топлинен двигател или дори като усилвател. Тази гъвкавост може да се окаже от решаващо значение за проектирането на модулни квантови компоненти, които управляват локално разсейването на процесора.

Напредъкът не премахва огромните бариери пред практическите квантови изчисления, но преосмисля един от основните им проблеми. Вместо да разглежда шума като чисто разрушителна сила, работата на учените от „Чалмърс“ показва, че когато е правилно проектирана, случайността може да стане част от решението.