Наноразмерный холодильник помогает квантовым компьютерам охлаждаться

Следующим крупным прорывом в области электроники, вероятно, станут квантовые компьютеры, которые экспоненциально увеличат емкость оцифрованной памяти и позволят ученым начать решать проблемы, с которыми привычные нам компьютеры уже не справляются. Крупные компании-производители уже начинают добиваться определенных успехов в этой сфере, но им еще предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем квантовые компьютеры станут применимы на практике. Так, эффективное охлаждение сверхпроводящих схем по требованию остается сложной задачей. Для ее решения финские ученые разработали наноразмерный холодильник, который помогает охлаждать компоненты квантового компьютера.

В квантовом компьютере информация хранится в виде кубита. Но кубиты уязвимы для любых внешних возмущений и, в частности, для тепла, потому что оно нарушает хрупкое состояние, которого они должны достичь, прежде чем их можно будет инициализировать для выполнения точных расчетов. Следовательно, они должны быть очень хорошо изолированы от всех источников рассеяния тепла во время их квантовой когерентной работы. По этой причине поиск универсального активного «холодильника» для квантовых устройств имеет большое значение. Авторы работы, опубликованной в Nature Communications, решили отыскать способ охладить кубиты, чтобы вся система работала бесперебойно.

Их подход основан на квантовом туннелировании, при котором электрон может пройти через барьер, потому как он действует как частица и как волна. Если у электрона есть побуждение оказаться по ту сторону барьера — например, большое количество энергии, — он может пролететь сквозь материал, чтобы добраться до цели. В своем опыте исследователи решили быть осторожными и дали электронам слишком малую энергию для прямого туннелирования через изолятор толщиной 2 нанометра. В результате электроны черпали энергию, необходимую для выполнения задачи, из самого квантового устройства. С этой энергией пришло немного тепла, и это охладило систему.

Для тестирования своего устройства команда ученых использовала не настоящие кубиты, а сверхпроводящий резонатор с аналогичным принципом работы. В ходе исследования они продемонстрировали прямое охлаждение сверхпроводящего резонатора с помощью управляемого напряжением электронного туннелирования в наноразмерном холодильнике. Результат опыта проявился в понижении температуры электронов на резисторе зонда, подключенного к резонатору, которая наблюдалась даже при повышенной температуре электронов в холодильнике.

В будущем авторы разработки планируют перейти к реальным кубитам и настроить устройство так, чтобы оно могло быстрее включаться и выключаться, а также работало бы при более низких температурах. То есть они рассчитывают получить идеальную систему охлаждения с квантовыми цепями.