В ходе нового эксперимента ученые разработали кубиты, которые работают при несколько более высоких температурах, чем считалось ранее. Благодаря значительному снижению эксплуатационных расходов и сложности систем охлаждения, это достижение должно сделать квантовые вычисления более доступными.
Для правильного использования вычислительной мощности кубиты в квантовых компьютерах обладают уникальными свойствами. Однако эти свойства чрезвычайно чувствительны и могут быть легко возмущены окружающей средой, в том числе теплом. Возмущение квантовых состояний кубитов приводит к ошибкам в системах и является одной из главных задач, стоящих перед учеными.
До сих пор единственным известным решением, позволяющим избежать влияния тепла, была изоляция кубитов от любого типа тепловых возмущений. Для этого процессорные схемы квантовых компьютеров хранятся при крайне низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C, или 0 Кельвинов). Но создание подходящей системы охлаждения — сложная и дорогостоящая задача.
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии недавно попытались снизить сложность и стоимость оборудования, необходимого для охлаждения квантовых компьютеров. Им удалось заставить кубиты работать при несколько более высоких температурах, а именно около 1 Кельвина. Хотя эта разница в температуре минимальна, она может привести к значительному снижению эксплуатационных расходов. Подробности были опубликованы в журнале Nature.
Системы охлаждения, которые в настоящее время используются в квантовых компьютерах, называются криостатами. Они позволяют понизить температуру кубитов до нескольких милликельвинов — температуры, близкой к абсолютному нулю. Помимо стоимости материалов, их эксплуатационные расходы также очень высоки. По мере приближения температуры к абсолютному нулю они теряют эффективность. Это, в свою очередь, требует использования дополнительной энергии, что еще больше увеличивает расходы.
Не говоря уже о том, что системные конфигурации, используемые для управления кубитами, зачастую очень громоздки и выделяют много тепла. Чем больше количество управляемых кубитов, тем больше тепла выделяет система, вплоть до превышения мощности охлаждения криостата.
Авторы нового исследования подчеркивают важность разработки систем, устойчивых к ошибкам, по мере увеличения количества кубитов, интегрированных в квантовые компьютеры. Под устойчивостью понимается способность обнаруживать и исправлять ошибки без ущерба для конечного результата вычислений. Чтобы оптимизировать затраты на охлаждение, команда считает, что эти системы должны работать при температуре не менее 1 Кельвина (-272,15 °C). "По мере ускорения масштабирования становится необходимым обеспечить устойчивую к ошибкам работу при температуре выше 1 К", — пишут исследователи в своем исследовании.
Они разработали кубит, который работает при такой температуре. Он был создан на основе структуры, которую они называют "квантовой точкой", напечатанной на кремнии. Благодаря своим свойствам квантовая точка позволяет более эффективно управлять состоянием кубита.
Переход от 0 K (-273,15 °C) к 1 K (-272,15 °C) кажется почти незначительным, учитывая, что температура остается крайне низкой. Однако по словам исследователей, разницы в один градус Цельсия достаточно, чтобы снизить не только стоимость, но и сложность существующих систем охлаждения.