Исследователи разработали кубиты, которые работают при более высоких температурах, чем считалось ранее возможным⁠⁠

В рамках нового эксперимента научные специалисты разработали кубиты, способные функционировать при температурах, немного выше предполагаемых ранее. Это достижение, позволяющее значительно снизить затраты на эксплуатацию и сложность систем охлаждения, должно сделать квантовые вычисления более доступными.

Кубиты, необходимые для эффективного использования вычислительной мощности квантовых компьютеров, обладают уникальными свойствами. Тем не менее, эти свойства чрезвычайно чувствительны и подвержены легкому воздействию окружающей среды, включая тепло. Влияние тепла на квантовые состояния кубитов приводит к ошибкам в системах и является одной из основных проблем, с которыми сталкиваются ученые.

До настоящего времени единственным известным решением, позволяющим избежать воздействия тепла, была изоляция кубитов от любых тепловых возмущений. Для этого процессорные схемы квантовых компьютеров должны находиться при крайне низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C, или 0 Кельвинов). Однако создание подходящей системы охлаждения представляет собой сложную и дорогостоящую задачу.

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии недавно предприняли попытку упростить и уменьшить стоимость оборудования, необходимого для охлаждения квантовых компьютеров. Они смогли добиться того, чтобы кубиты функционировали при немного более высоких температурах, около 1 Кельвина. Несмотря на то что эта разница в температуре кажется незначительной, она может привести к значительному сокращению затрат на эксплуатацию. Подробности исследования были опубликованы в журнале Nature.

Недостатки существующих систем охлаждения

Системы охлаждения, используемые в настоящее время в квантовых компьютерах, называются криостатами. Они позволяют снизить температуру кубитов до нескольких милликельвинов — температуры, приближенной к абсолютному нулю. Кроме того, помимо стоимости материалов, эксплуатационные расходы таких систем также очень высоки. По мере приближения температуры к абсолютному нулю они теряют эффективность, что требует дополнительного энергопотребления и, как следствие, увеличивает расходы.

Более того, системные конфигурации, используемые для управления кубитами, зачастую являются громоздкими и выделяют много тепла. С увеличением количества управляемых кубитов система выделяет все больше тепла, что может превысить мощность охлаждения криостата.

Кубиты, функционирующие при температуре 1 К?

Авторы нового исследования подчеркивают важность разработки систем, устойчивых к ошибкам, по мере увеличения количества кубитов, интегрированных в квантовые компьютеры. Устойчивость здесь означает способность обнаруживать и исправлять ошибки без ущерба для конечного результата вычислений. Для оптимизации затрат на охлаждение команда считает, что эти системы должны функционировать при температуре не менее 1 Кельвина (-272,15 °C). "По мере увеличения масштабирования становится необходимым обеспечить устойчивую работу при температуре выше 1 К", — отмечают исследователи в своей работе.

Они разработали кубит, функционирующий при такой температуре, основанный на структуре, которую они называют "квантовой точкой", изготовленной на кремнии. Благодаря своим свойствам квантовая точка обеспечивает более эффективное управление состоянием кубита.

Переход от 0 К (-273,15 °C) к 1 К (-272,15 °C) кажется почти незначительным, учитывая крайне низкую температуру. Однако согласно исследователям, даже разница в один градус Цельсия достаточна для сокращения не только затрат, но и сложности существующих систем охлаждения.