На протяжении десятилетий разработка квантовых вычислений боролась с необходимостью создания чрезвычайно низких температур, всего лишь на доли градуса выше абсолютного нуля (0 Кельвина или –273,15°C). Это потому, что квантовые явления, которые наделяют квантовые компьютеры уникальными вычислительными способностями, можно использовать, только изолируя их от тепла знакомого классического мира, в котором мы живем.
Одиночный квантовый бит или «кубит», эквивалент двоичного бита «ноль или один», лежащий в основе классических вычислений, требует для работы большого холодильного аппарата. Однако во многих областях, где мы ожидаем, что квантовые компьютеры принесут прорывы — например, в разработке новых материалов или лекарств — нам понадобится большое количество кубитов или даже целые квантовые компьютеры, работающие параллельно.
Ожидается, что квантовые компьютеры, способные управлять ошибками и самокорректироваться, что важно для надежных вычислений, будут гигантскими по своим масштабам. Такие компании, как Google, IBM и PsiQuantum, готовятся к будущему целых складов, заполненных системами охлаждения и потребляющих огромное количество энергии для работы одного квантового компьютера.
Но если бы квантовые компьютеры могли функционировать даже при немного более высоких температурах, с ними было бы намного проще работать — и они были бы гораздо более широко доступны. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, наша команда показала, что определенный тип кубита — спины отдельных электронов — может работать при температуре около 1 К, что намного выше, чем предыдущие примеры.
Холодные и суровые факты
Системы охлаждения становятся менее эффективными при более низких температурах. Что еще хуже, системы, которые мы используем сегодня для управления кубитами, представляют собой переплетение проводов, напоминающее ENIAC и другие огромные компьютеры 1940-х годов. Эти системы увеличивают нагрев и создают физические препятствия для совместной работы кубитов.
Чем больше кубитов мы пытаемся вместить, тем сложнее становится проблема. В определенный момент проблема с проводкой становится непреодолимой.
После этого системы управления нужно встроить в те же чипы, что и кубиты. Однако эта интегрированная электроника потребляет даже больше энергии и рассеивает больше тепла, чем беспорядочная проводка.
Теплый поворот
Наше новое исследование может предложить путь вперед. Мы продемонстрировали, что особый тип кубита — сделанный из квантовой точки, напечатанной металлическими электродами на кремнии, с использованием технологии, очень похожей на ту, которая используется в производстве существующих микрочипов — может работать при температурах около 1К.
Это всего на один градус выше абсолютного нуля, поэтому все еще очень холодно. Однако сейчас значительно теплее, чем считалось ранее. Этот прорыв может объединить разросшуюся холодильную инфраструктуру в более управляемую единую систему. Это позволит значительно снизить эксплуатационные расходы и энергопотребление.
Необходимость в таких технологических достижениях не просто академическая. Ставки высоки в таких областях, как разработка лекарств, где квантовые вычисления обещают революционизировать то, как мы понимаем молекулярные структуры и взаимодействуем с ними.
Затраты на исследования и разработки в этих отраслях, исчисляемые миллиардами долларов, подчеркивают потенциальную экономию средств и повышение эффективности за счет более доступных технологий квантовых вычислений.
Медленный ожог
«Более горячие» кубиты открывают новые возможности, но они также создают новые проблемы в исправлении ошибок и контроле. Более высокие температуры вполне могут означать увеличение частоты ошибок измерений, что создаст дополнительные трудности в поддержании работоспособности компьютера.
Разработка квантовых компьютеров еще только начинается. Квантовые компьютеры однажды могут стать такими же повсеместными, как сегодняшние кремниевые чипы, но путь к этому будущему будет полон технических препятствий.
Наш недавний прогресс в эксплуатации кубитов при более высоких температурах является ключевым шагом на пути к упрощению требований к системе.
Это вселяет надежду, что квантовые вычисления смогут вырваться за пределы специализированных лабораторий в более широкое научное сообщество, промышленность и коммерческие центры обработки данных.
Эта отредактированная статья перепечатана с сайта Разговор по лицензии Creative Commons. Прочтите оригинальная статья.
