Новый тип нанохолодильника сможет поддерживать кубиты квантового компьютера в рабочем состоянии - «Наука и технологии»

Классические компьютеры нуждаются в вентиляторах или более мощных системах для отвода выделяющегося в них тепла, но квантовые компьютеры нуждаются в высококачественном охлаждении еще в большей степени. В отличие от битов информации, которыми оперируют традиционные компьютеры, квантовые биты могут находиться еще в одном состоянии, так называемом состоянии суперпозиции когда их значение равно и 0 и 1 одновременно. Для того, чтобы находится достаточно долго в таком квантовом состоянии кубиты должны быть максимально изолированы от окружающей среды, ведь малейшее вмешательство извне приведет к изменению квантового состояния и повлечет возникновение ошибок квантовых вычислений. А максимально изолированные от окружающей среды кубиты нагреваются во время работы и требуют их постоянного охлаждения.

Для решения проблемы охлаждения кубитов квантовых вычислительных систем Микко Меттенен (Mikko Mottonen) и его коллеги из университета Аальто, Финляндия, разработали первое в своем роде автономное устройство охлаждения. Это устройство отличается универсальностью, оно может быть использовано не только в квантовых компьютерах, но и в любых других устройствах, использующих странные законы и принципы квантовой механики.

Основой устройства охлаждения является энергетический барьер, разделяющий два канала, один из которых находится в состоянии сверхпроводимости, проводя электроны без сопротивления, а второй канал является обычным, имеющим электрическое сопротивление, которое тормозит электроны во время движения. Только электроны, имеющие достаточно высокую энергию, могут перескочить через барьер и попасть на сверхпроводящую магистраль, которая выводит их за пределы устройства, остальные электроны остаются "толкаться на обочине".

Но не все низкоэнергетические электроны обречены на "вечное прозябание" в цепи с обычной проводимостью. У некоторых из них имеется достаточно высокий шанс захватить фотон света, циркулирующего в расположенном поблизости резонаторе. При этом электрон приобретает необходимую для совершения скачка энергию, а резонатор, теряя энергию, охлаждается до более низкой температуры.

Принцип работы такого холодильника весьма напоминает гипотетическое явление, называемое Демоном Максвелла. Только в отличие от демона Максвелла, "демон" нанохолодильника проталкивает более "горячие" электроны в сверхпроводящий канал, а в рабочей зоне холодильника остаются холодные низкоэнергетические электроны, которые эффективно поглощают энергию из окружающей среды.

Следующим шагом, который намерены предпринять ученые, станет объединение нанохолодильника с реальным кубитом. После этого исследователи будут выяснять, хватает ли эффективности этого холодильника для качественного охлаждения кубита и поддержания его в определенном квантовом состоянии длительное время.