Επιστήμονες κατάφεραν να ψύξουν qubits σε θερμοκρασίες ρεκόρ χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό ψυγείο που λειτουργεί με «θερμικά λουτρά».
Qubits: Ένα νέο ψυγείο για ισχυρότερους κβαντικούς υπολογιστές
Ένας νέος τύπος αυτόνομου κβαντικού ψυγείου θα μπορούσε να προσφέρει «μια σημαντική ώθηση στην απόδοση» των κβαντικών υπολογιστών και να τους κάνει πιο αξιόπιστους, σύμφωνα με τους επιστήμονες.
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 9 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature Physics, ερευνητές κατάφεραν να ψύξουν ένα qubit στους 22 millikelvin (−459,63 βαθμούς Φαρενάιτ ή −273,13 βαθμούς Κελσίου) χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό ψυγείο που τροφοδοτείται από «θερμικά λουτρά» μικροκυματικής ακτινοβολίας. Αυτή είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει καταγραφεί για qubits.
«Αυτό ανοίγει τον δρόμο για πιο αξιόπιστους και χωρίς σφάλματα κβαντικούς υπολογισμούς, που απαιτούν λιγότερη επιβάρυνση υλικού», δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Aamir Ali, ερευνητής κβαντικής τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers στη Σουηδία.
Γιατί η ψύξη είναι κρίσιμη για τα qubits;
Οι κβαντικοί υπολογιστές πρέπει να ψύχονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να αξιοποιούν τις ευαίσθητες κβαντικές ιδιότητες και να εκτελούν υπολογισμούς. Ακόμη και η παραμικρή περιβαλλοντική διαταραχή μπορεί να «ανατρέψει» την κβαντική τους κατάσταση, προκαλώντας σφάλματα.
Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα υπεραγώγιμα qubits, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στο τσιπ Condor των 1.000 qubits της IBM, τα οποία πρέπει να λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (0 K, −459,67°F ή −273,15°C) για να παραμένουν σταθερά.
Η ψύξη των qubits κοντά στο απόλυτο μηδέν τα φέρνει στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή τους κατάσταση, γνωστή ως «θεμελιώδης κατάσταση» (ground state). Σε αυτήν την κατάσταση, είναι πιο πιθανό να διατηρήσουν τις κβαντικές τους ιδιότητες αρκετά ώστε να εκτελέσουν υπολογισμούς με ακρίβεια.
Πώς λειτουργεί το νέο ψυγείο;
Το νέο σύστημα δεν αντικαθιστά τα συμβατικά ψυγεία διάλυσης, τα οποία χρησιμοποιούν αέρια ηλίου για να απορροφήσουν θερμότητα μέσω διαδικασίας διάλυσης και μπορούν να μειώσουν τη θερμοκρασία των qubits στα 50 mK. Αντίθετα, το συμπληρώνει, μειώνοντας περαιτέρω τη θερμοκρασία των qubits.
Το ψυγείο λειτουργεί αξιοποιώντας ενέργεια από θερμικές δεξαμενές που δημιουργούνται μέσω μικροκυματικής ακτινοβολίας. Αυτή η ενέργεια διοχετεύεται σε ένα από τα δύο qubits του ψυγείου.
«Η ενέργεια από το θερμικό περιβάλλον, διοχετευόμενη μέσω του ενός qubit του κβαντικού ψυγείου, αντλεί θερμότητα από το qubit-στόχο στο δεύτερο qubit του ψυγείου, το οποίο είναι ψυχρό. Αυτό το ψυχρό qubit θερμοποιείται σε ένα ψυχρό περιβάλλον, όπου τελικά αποβάλλεται η θερμότητα του qubit-στόχου», εξήγησε η συν-συγγραφέας της μελέτης Nicole Yunger Halpern, επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι επιστήμονες αύξησαν την πιθανότητα το qubit να βρίσκεται στην θεμελιώδη του κατάσταση πριν από έναν υπολογισμό στο 99,97%.
Η διαφορά στην απόδοση των κβαντικών υπολογιστών
Ο Ali ανέφερε ότι οι προηγούμενες τεχνικές είχαν πιθανότητες μεταξύ 99,8% και 99,92%. «Αυτό μπορεί να φαίνεται ως μικρή διαφορά, αλλά όταν εκτελούνται πολλαπλοί υπολογισμοί, συσσωρεύεται σε μια σημαντική αύξηση της απόδοσης των κβαντικών υπολογιστών», πρόσθεσε.
Σε αντίθεση με τα ψυγεία διάλυσης, που είναι εξαιρετικά πολύπλοκα και δύσκολα επεκτάσιμα, το νέο θερμικά καθοδηγούμενο σύστημα είναι αυτόνομο και δεν απαιτεί εξωτερικό έλεγχο μόλις ξεκινήσει. Τα αποτελέσματα ξεπέρασαν τις αρχικές προσδοκίες των ερευνητών.
«Η εργασία μας είναι πιθανώς η πρώτη επίδειξη μιας αυτόνομης κβαντικής θερμικής μηχανής που εκτελεί μια πρακτικά χρήσιμη λειτουργία», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Simone Gasparinetti, αναπληρωτής καθηγητής κβαντικής τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers.
«Αρχικά το βλέπαμε ως μια απόδειξη της έννοιας, οπότε εκπλαγήκαμε ευχάριστα όταν διαπιστώσαμε ότι η απόδοσή του ξεπερνά όλα τα υπάρχοντα πρωτόκολλα επαναφοράς για την ψύξη των qubits σε θερμοκρασίες-ρεκόρ».