Фото 1: Технологический университет Чалмерса | Ловиса Хоканссон. Новый квантовый холодильник — квадратный объект в центре кубита на изображении — основан на сверхпроводящих схемах и питается от тепла из окружающей среды. Он может автономно охлаждать кубиты для достижения рекордно низких температур, открывая путь к более надежным квантовым компьютерам. Устройство было изготовлено в лаборатории нанопроизводства Myfab Технологического университета Чалмерса в Швеции.

Сегодня многие квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих электрических цепях, которые имеют нулевое сопротивление и поэтому очень хорошо сохраняют информацию. Чтобы кубиты работали без ошибок и в течение более длительного периода времени в такой системе, их необходимо охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю, что эквивалентно минус 273,15 градуса Цельсия или нулю Кельвина — научной единице температуры. Сильный холод переводит кубиты в состояние с самой низкой энергией, основное состояние, эквивалентное значению 0, что является необходимым условием для начала вычислений.

Используемые сегодня системы охлаждения, так называемые холодильники разбавления, доводят температуру кубитов примерно на 50 милликельвинов выше абсолютного нуля. Физики из Технологического университета Чалмерса и Университета Мэриленда сконструировали новый тип квантового холодильника, который может дополнять холодильник разбавления и автономно охлаждать сверхпроводящие кубиты до рекордно низких температур.

Фото 2: Технологический университет Чалмерса. Холодильник разбавления — это система охлаждения, в которой находится квантовый компьютер и которая снижает температуру кубитов примерно до 50 милликельвинов, то есть минус 273,1 градуса. Когда система охлаждения дополнена недавно разработанным квантовым холодильником, который помещается на небольшом чипе, можно достичь рекордно низких температур и снизить температуру кубитов примерно до 22 милликельвинов, что соответствует минус 273,13 градуса. На фотографии внешние оболочки холодильника для разбавления сняты.

Холодильник использует взаимодействие между различными кубитами, в частности между целевым кубитом, подлежащим охлаждению, и двумя квантовыми битами, используемыми для охлаждения. Рядом с одним из кубитов создана теплая среда, служащая горячей термальной ванной. Горячая термическая ванна передает энергию одному из сверхпроводящих кубитов квантового холодильника и питает квантовый холодильник. Энергия из тепловой среды, проходящая через один из двух кубитов, перекачивает тепло из целевого кубита во второй кубит квантового холодильника, который является холодным. Этот холодный кубит термализуется в холодную среду, в которую попадает цель. Тепло кубита в конечном итоге сбрасывается.

Система автономна в том смысле, что после запуска она работает без внешнего управления и питается за счет тепла, которое естественным образом возникает из-за разницы температур между двумя термальными ваннами.