Kvantové počítače fungují pouze tehdy, když jsou udržovány v extrémním chladu. Problém je v tom, že dnešní chladicí systémy také vytvářejí šum, který může narušit křehké kvantové informace, které mají chránit. Výzkumníci z Chalmers University of Technology ve Švédsku nyní představili nový typ minimální kvantové „ledničky“, která tuto výzvu mění ve výhodu. Místo boje proti šumu zařízení částečně spoléhá na to, že ho využije ke svému provozu. Výsledkem je vysoce přesná kontrola nad tokem tepla a energie, která by mohla pomoci umožnit rozsáhlou kvantovou technologii.
Kvantová technologie má podle očekávání přetvořit hlavní oblasti společnosti. Potenciální aplikace zahrnují objevování léků, umělou inteligenci, optimalizaci logistiky a zabezpečenou komunikaci. Navzdory tomuto slibu stále v cestě k praktickému využití stojí vážné technické překážky. Jednou z nejnáročnějších výzev je udržování a kontrola jemných kvantových stavů, které tyto systémy umožňují fungovat.
Proč musí být kvantové počítače blízko absolutní nuly
Kvantové počítače postavené se supravodivými obvody musí být ochlazeny na teploty velmi blízké absolutní nule (kolem -273 °C). Při těchto teplotách se materiály stávají supravodivými, což umožňuje elektronům pohybovat se bez odporu. Pouze za těchto extrémních podmínek se mohou uvnitř qubitů, základních jednotek kvantové informace, vytvořit 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 ztěžuje provoz kvantových systémů a ještě více jejich rozšiřování.
Jak se výzkumníci pokoušejí rozšířit kvantové počítače k řešení praktických problémů, teplo a šum se stávají obtížněji kontrolovatelnými. Větší a složitější systémy vytvářejí více příležitostí pro nežádoucí energii, aby se rozšířila a narušila křehké kvantové stavy.
„Mnoho kvantových zařízení je nakonec omezeno tím, jak se energie přenáší a rozptyluje. Pochopení těchto cest a schopnost je měřit nám umožňuje navrhovat kvantová zařízení, ve kterých jsou toky tepla předvídatelné, kontrolovatelné a dokonce užitečné,“ říká Simon Sundelin, doktorand kvantové technologie na Chalmers University of Technology a hlavní autor studie.
Využití šumu jako chladicího nástroje
Ve studii publikované v Nature Communications popisuje tým z Chalmers zásadně odlišný druh kvantové ledničky. Místo pokusu o odstranění šumu ho systém využívá jako hnací sílu chlazení.
V jádru ledničky 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 připojena k několika mikrovlnným kanálům. Přidáním pečlivě kontrolovaného mikrovlnného šumu ve formě náhodných signálních fluktuací v úzkém frekvenčním rozsahu mohou výzkumníci řídit, jak se teplo a energie pohybují systémem s pozoruhodnou přesností.
Pečlivým nastavením teplot rezervoárů a sledováním miniaturních tepelných toků může kvantová lednička fungovat několika způsoby. V závislosti na podmínkách může fungovat jako lednička, působit jako tepelný motor nebo zesilovat tepelný transport.
Tato úroveň kontroly je obzvláště důležitá ve větších kvantových systémech, kde se teplo vytváří lokálně během provozu a měření qubitů. Řízení tohoto tepla přímo uvnitř kvantových obvodů by mohlo zlepšit stabilitu a výkon způsoby, kterými konvenční chladicí systémy nemohou.
Kvantová lednička byla vyrobena v Nanofabrikační laboratoři Myfab na Chalmers University of Technology.
Financování výzkumu poskytla Švédská výzkumná rada, nadace Knut a Alice Wallenbergových prostřednictvím Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), Evropská výzkumná rada a Evropská unie.
Zdroj: sciencedaily.com
