Десятиліттями розвиток квантових обчислень наштовхувався на потребу в надзвичайно низьких температурах, лише на долі градуса вище абсолютного нуля (0 Кельвіна або -273,15°C). Це тому, що квантові явища, які надають квантовим комп’ютерам унікальні обчислювальні можливості, можна використати, лише ізолювавши їх від тепла звичного класичного світу, в якому ми живемо.
Один квантовий біт або “кубіт”, еквівалент двійкового біта “нуль або одиниця”, що лежить в основі класичних обчислень, вимагає для роботи великої холодильної установки. Однак у багатьох сферах, де ми очікуємо від квантових комп’ютерів прориву – наприклад, у розробці нових матеріалів або ліків – нам знадобиться велика кількість кубітів або навіть цілих квантових комп’ютерів, що працюють паралельно.
Очікується, що квантові комп’ютери, які можуть керувати помилками і самовідновлюватися, що важливо для надійних обчислень, будуть гігантськими за масштабом. Такі компанії, як Google, IBM і PsiQuantum, готуються до майбутнього, в якому цілі склади будуть заповнені системами охолодження і споживатимуть величезну кількість енергії для роботи одного квантового комп’ютера.
Але якби квантові комп’ютери могли функціонувати при навіть трохи вищих температурах, ними було б набагато легше керувати – і вони стали б набагато доступнішими. У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, наша команда показала, що певний вид кубітів – спінів окремих електронів – може працювати при температурі близько 1К, що набагато вище, ніж у попередніх прикладах.
Холодні, суворі факти
Системи охолодження стають менш ефективними за нижчих температур. До того ж, системи, які ми використовуємо сьогодні для керування кубітами, являють собою переплетення дротів, що нагадують ENIAC та інші величезні комп’ютери 1940-х років. Ці системи збільшують нагрівання і створюють фізичні перешкоди для спільної роботи кубітів.
Чим більше кубітів ми намагаємося втиснути, тим складнішою стає проблема. У певний момент проблема з проводкою стає непереборною.
Після цього системи управління потрібно вбудовувати в ті ж самі мікросхеми, що й кубіти. Однак ця інтегрована електроніка споживає ще більше енергії – і розсіює більше тепла – ніж велика плутанина проводів.
Теплий поворот
Наше нове дослідження може запропонувати шлях вперед. Ми продемонстрували, що певний вид кубітів – виготовлений за допомогою квантової точки, надрукованої металевими електродами на кремнії за технологією, подібною до тієї, що використовується у виробництві існуючих мікрочіпів, – може працювати при температурі близько 1К.
Це лише на один градус вище абсолютного нуля, тож це все ще надзвичайно холодно. Однак це значно тепліше, ніж вважалося можливим раніше. Цей прорив може об’єднати розгалужену холодильну інфраструктуру в більш керовану, єдину систему. Це різко знизить операційні витрати та споживання енергії.
Необхідність такого технологічного прогресу має не лише академічний характер. Ставки високі в таких галузях, як розробка ліків, де квантові обчислення обіцяють зробити революцію в тому, як ми розуміємо і взаємодіємо з молекулярними структурами.
Витрати на дослідження і розробки в цих галузях, що обчислюються мільярдами доларів, підкреслюють потенційну економію коштів і підвищення ефективності завдяки більш доступним технологіям квантових обчислень.
Повільне горіння
“Гарячіші” кубіти пропонують нові можливості, але вони також створюють нові виклики у виправленні помилок і контролі. Вищі температури цілком можуть означати збільшення частоти помилок вимірювання, що створить додаткові труднощі в підтримці працездатності комп’ютера.
Розвиток квантових комп’ютерів ще тільки починається. Можливо, одного дня квантові комп’ютери стануть такими ж повсюдними, як сьогоднішні кремнієві чіпи, але шлях до цього майбутнього буде сповнений технічних перешкод.
Наш нещодавній прогрес у роботі кубітів при високих температурах є ключовим кроком до спрощення вимог до системи.
Це дає надію на те, що квантові обчислення можуть вирватися за межі спеціалізованих лабораторій у широке наукове співтовариство, промисловість і комерційні центри обробки даних.
