Foto: Simon Sundelin

Úvod do problematiky kvantových počítačů

Vědci ze Švédska našli způsob, jak chladit kvantové počítače pomocí šumu. Kvantové počítače potřebují extrémní chlad, aby fungovaly, ale současné chladicí systémy vytvářejí šum, který může zničit křehké kvantové informace.

Autor původního článku: redakce

Nový přístup k chlazení kvantových počítačů

Výzkumníci z Chalmers University of Technology ve Švédsku nyní představili nový typ minimálního kvantového „chladničky“, která tento problém obrací ve svůj prospěch. Místo boje proti šumu zařízení částečně spoléhá na něj, aby fungovalo. Výsledkem je vysoce přesná kontrola nad tokem tepla a energie, což by mohlo pomoci učinit velké kvantové technologie možnými.

Proč kvantové počítače potřebují extrémní chlad

Kvantové počítače postavené s supravodivými obvody musí být chlazeny na teploty velmi blízké absolutní nule (kolem -273 °C). Při těchto teplotách se materiály stávají supravodivými, což umožňuje elektronům pohyb bez odporu. Pouze za těchto extrémních podmínek mohou uvnitř qubitů, základních jednotek kvantové informace, vznikat stabilní kvantové stavy.

Tyto kvantové stavy jsou extrémně citlivé. Malé změny teploty, elektromagnetické rušení nebo šum na pozadí mohou rychle vymazat uložené informace. Tato citlivost činí kvantové systémy obtížně ovladatelnými a ještě těžšími na rozšíření. Jak se výzkumníci snaží zvětšit kvantové počítače, aby řešily praktické problémy, teplo a šum se stávají těžšími na kontrolu.

Použití šumu jako nástroje pro chlazení

Ve studii publikované v časopise Nature Communications tým z Chalmers popisuje zásadně odlišný druh kvantové chladničky. Místo snahy eliminovat šum systém používá šum jako hnací sílu za chlazením. „Fyzici dlouho spekulovali o fenoménu zvaném Brownianova chladnička; myšlenka, že náhodné tepelné fluktuace by mohly být využity k vytvoření chladicího efektu. Naše práce představuje nejbližší realizaci tohoto konceptu k dnešnímu dni,“ říká Simone Gasparinetti, docent na Chalmers a hlavní autor studie.

V jádru chladničky je supravodivá umělá molekula vytvořená v nanofabrikační laboratoři Chalmers. Chová se podobně jako přírodní molekula, ale místo atomů je postavena z malých supravodivých elektrických obvodů. Umělá molekula je spojena s více mikrovlnnými kanály. Přidáním pečlivě řízeného mikrovlnného šumu ve formě náhodných signálních fluktuací v úzkém frekvenčním rozsahu mohou výzkumníci řídit, jak se teplo a energie pohybují systémem s pozoruhodnou přesností.

Nové cesty k rozšiřitelné kvantové technologii

Pečlivým nastavením teplot rezervoárů a sledováním nepatrných toků tepla může kvantová chladnička fungovat různými způsoby. V závislosti na podmínkách může fungovat jako chladnička, působit jako tepelný motor nebo zesilovat tepelný transport. Tato úroveň kontroly je obzvláště důležitá ve větších kvantových systémech, kde se teplo produkuje lokálně během operace a měření qubitů. Řízení tohoto tepla přímo uvnitř kvantových obvodů by mohlo zlepšit stabilitu a výkon způsoby, které konvenční chladicí systémy nemohou.

„Vidíme to jako důležitý krok k řízení tepla přímo uvnitř kvantových obvodů, v měřítku, které konvenční chladicí systémy nemohou dosáhnout. Schopnost odstranit nebo přesměrovat teplo v tomto malém měřítku otevírá dveře k spolehlivějším a robustnějším kvantovým technologiím,“ říká Aamir Ali, výzkumník v oblasti kvantové technologie na Chalmers a spoluautor studie.

Studie „Quantum refrigeration powered by noise in a superconducting circuit“ byla publikována v vědeckém časopise Nature Communications. Autoři jsou Simon Sundelin, Mohammed Ali Aamir, Vyom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno a Simone Gasparinetti z Oddělení mikrotechnologie a nanovědy na Chalmers University of Technology. Kvantová chladnička byla vyrobena v Nanofabrikační laboratoři, Myfab, na Chalmers University of Technology. Výzkum byl financován Švédskou radou pro výzkum, Nadací Knuta a Alice Wallenbergových prostřednictvím Wallenbergova centra pro kvantovou technologii (WACQT), Evropskou radou pro výzkum a Evropskou unií.