Используя контролируемый микроволновой шум, исследователи из Технического университета Чалмерса создали квантовый холодильник. Это устройство способно работать как охладитель, тепловой двигатель или усилитель. Такой подход предлагает новый способ управления теплом непосредственно внутри квантовых схем, что может кардинально изменить процесс их построения.
Квантовые технологии обладают потенциалом изменить многие ключевые области, включая открытие новых лекарств, искусственный интеллект и безопасные коммуникации. Однако серьезные инженерные препятствия все еще стоят на пути практического применения. Одной из самых сложных задач остается поддержание контроля над квантовыми состояниями, которые чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям.
Сверхпроводящие квантовые компьютеры должны охлаждаться до температур, близких к абсолютному нулю. В этом глубоком холоде электрическое сопротивление исчезает, и кубиты могут надежно формировать квантовые состояния. Проблема заключается в том, что эти же кубиты могут быстро терять информацию при малейших изменениях температуры или воздействии фонового шума.
Для решения реальных задач компьютерам требуется гораздо больше кубитов, но крупные устройства сложнее поддерживать в равномерно холодном состоянии. По мере роста схем у тепла и шума появляется больше путей для распространения. Аспирант Симон Сунделин отмечает, что понимание этих путей позволяет проектировать устройства, в которых тепловые потоки становятся предсказуемыми и управляемыми.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда сообщает о создании минимального квантового холодильника. Вместо того чтобы тратить все усилия на подавление шума, ученые используют его контролируемую версию для управления переносом тепла. Доцент Симоне Гаспаринетти подчеркивает, что эта работа представляет собой реализацию концепции броуновского охлаждения, где случайные тепловые флуктуации используются для получения полезного эффекта.
Основой устройства является сверхпроводящая искусственная молекула, созданная в лаборатории нанотехнологий. Исследователи смогли измерить чрезвычайно малые тепловые потоки, вплоть до мощностей порядка аттовартов. Такая гибкость важна для крупных квантовых процессоров, где самые горячие точки часто возникают именно там, где происходит управление кубитами.