Самый холодный квантовый компьютер в мире вычисляет в 70 раз быстрее

В ученом мире действует простое правило: для точных вычислений компьютер должен начинать каждый расчет с нуля. Это касается любых вычислительных систем, но особенно сложно соблюсти это требование в квантовых машинах – их элементы слишком чувствительны к теплу и излучению, из-за чего трудно сохранить их начальные параметры. Группа физиков из Технологического университета Чалмерса в Швеции нашла решение проблемы . Они разработали квантовый холодильник для вычислительных систем, работающих на сверхпроводящих элементах. Устройство способно охладить их до рекордно низкой температуры – 22 милликельвина, что помогает сохранять изначальные параметры до старта вычислений.

Сверхпроводящие схемы стали одним из главных направлений в разработке квантовых компьютеров. При экстремально низких температурах в них появляются особые энергетические уровни, благодаря которым информацию можно записывать в двух различных состояниях: базовом и возбужденном. Подобно битам в обычном компьютере, каждый квантовый элемент может находиться либо в одном из этих положений, либо в их квантовой суперпозиции. Такая способность входить в состояние суперпозиции позволяет машине одновременно проверять множество вариантов решения задачи, что дает колоссальное преимущество перед обычными компьютерами.

При запуске все квантовые элементы должны пребывать в базовом состоянии, для чего требуется максимальное охлаждение. Однако даже лучшие криогенные установки не могут полностью изолировать элементы от внешнего тепла. Часть из них накапливает достаточно энергии для перехода в возбужденное состояние. Это вносит погрешности уже в начале работы, которые накапливаются по мере выполнения задачи. В итоге приходится тратить больше ресурсов на исправление ошибок.

Команда Гаспаринетти придумала, как решить эту проблему с помощью квантового охладителя, который забирает лишнее тепло, используя разницу температур. Такой перепад естественным образом возникает внутри криогенных установок для квантовых компьютеров. Охладительные элементы устроены ступенчато: каждый следующий уровень холоднее предыдущего, а на последнем уровне температура падает примерно до 10 милликельвинов.

В основе квантового холодильника лежат два ключевых элемента: "горячий" квантовый бит, соединенный с источником тепла при температуре около 5 кельвинов, и "холодный" кутрит – элемент с тремя квантовыми уровнями энергии, подключенный к самой холодной части криостата. Энергетические интервалы обоих элементов точно настроены под параметры третьего – "рабочего" бита, выполняющего вычисления. Такая настройка обеспечивает эффективный теплообмен. Если рабочий элемент возбуждается, его энергия вместе с порцией тепла от горячего бита переводит холодный кутрит на высший энергетический уровень. При этом рабочий элемент возвращается в исходное положение, готовясь к новым вычислениям. Накопленную энергию кутрит отдает криостату и тоже возвращается в базовое состояние.

Испытания показали: система способна охладить один сверхпроводящий квантовый бит до 22 милликельвинов. При такой температуре шанс его самопроизвольного возбуждения падает ниже 3 × 10−4 – это заметно лучше, чем показатель 10−3 в существующих квантовых компьютерах. Более того, дополнительное охлаждение ускоряет подготовку устройства к работе – возбужденный элемент остывает в 70 раз быстрее, чем при использовании только криостата.

Чтобы охладить все элементы квантового компьютера, конструкцию придется доработать, но уже эта демонстрация принципа показывает, как законы квантовой термодинамики можно применить для решения ключевых задач в квантовых вычислениях.

Авторы разработки видят и другие перспективы для своего изобретения. "Если запустить такой холодильник в обратном направлении, он превратится в двигатель. Его можно использовать, например, для питания автономных квантовых часов", – поясняет Юнгер Халперн.