Это дает надежду на то, что квантовые вычисления смогут вырваться из стен специализированных лабораторий в более широкое научное сообщество, промышленность и коммерческие центры обработки данных.
На протяжении десятилетий стремление к квантовым вычислениям было сопряжено с необходимостью использования крайне низких температур, всего на доли градуса выше абсолютного нуля (0 Кельвина или -273,15°C). Это связано с тем, что квантовые явления, которые наделяют квантовые компьютеры уникальными вычислительными способностями, можно использовать только изолировав их от тепла привычного нам классического мира.
Для работы одного квантового бита или “кубита”, эквивалента двоичного бита “ноль или один”, лежащего в основе классических вычислений, требуется большое холодильное оборудование. Однако во многих областях, где мы ожидаем от квантовых компьютеров прорыва – например, в разработке новых материалов или лекарств, – нам потребуется большое количество кубитов или даже целые квантовые компьютеры, работающие параллельно.
Квантовые компьютеры, способные справляться с ошибками и самокорректироваться, что необходимо для надежных вычислений, будут иметь гигантские масштабы. Такие компании, как Google, IBM и PsiQuantum, готовятся к тому, что в будущем для работы одного квантового компьютера будут использоваться целые ангары, заполненные системами охлаждения и потребляющие огромное количество энергии.
Но если бы квантовые компьютеры могли работать даже при чуть более высоких температурах, они могли бы стать гораздо проще в эксплуатации – и гораздо более доступными. 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 гораздо выше, чем предыдущие примеры.
Холодные, жесткие 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 еще больше увеличивают нагрев и создают физические препятствия для совместной работы кубитов.
Чем больше кубитов мы пытаемся впихнуть, тем сложнее становится проблема. В определенный момент проблема с проводкой становится непреодолимой.
Тогда системы управления приходится встраивать в те же микросхемы, что и кубиты. Однако эта интегрированная электроника потребляет еще больше энергии и рассеивает больше тепла, чем большой пучок проводов.
Теплый поворот
Наше новое исследование может предложить путь вперед. Мы продемонстрировали, что особый вид кубитов – изготовленный с помощью квантовой точки, напечатанной металлическими электродами на кремнии по технологии, аналогичной той, что используется при производстве микрочипов, – может работать при температуре около 1К.
Это всего на один градус выше абсолютного нуля, так что это все еще очень холодно. Однако это значительно теплее, чем считалось ранее. Этот прорыв позволит сжать разросшуюся холодильную инфраструктуру в более управляемую единую систему. Это позволит резко сократить эксплуатационные расходы и энергопотребление.
Необходимость в таких технологических достижениях не просто академическая. Ставки очень высоки в областях разработки лекарств, где квантовые вычисления обещают произвести революцию в понимании и взаимодействии с молекулярными структурами.
Расходы на исследования и разработки в этих отраслях, исчисляемые миллиардами долларов, подчеркивают потенциальную экономию средств и повышение эффективности благодаря более доступным технологиям квантовых вычислений.
Медленное горение
Более “горячие” кубиты открывают новые возможности, но они также создадут новые проблемы в области исправления ошибок и контроля. Более высокие температуры могут означать увеличение частоты ошибок измерений, что создаст дополнительные трудности в поддержании работоспособности компьютера.
Разработка квантовых компьютеров еще только начинается. Возможно, когда-нибудь квантовые компьютеры станут такими же повсеместными, как сегодняшние кремниевые чипы, но путь к этому будущему будет полон технических препятствий.
Наш недавний прогресс в работе с кубитами при более высоких температурах является ключевым шагом на пути к упрощению требований к системе.
Это дает надежду на то, что квантовые вычисления смогут вырваться из рамок специализированных лабораторий в более широкое научное сообщество, промышленность и коммерческие центры обработки данных.
Профессор Scientia Эндрю Дзурак, генеральный директор и основатель компании Diraq, UNSW Sydney, и Андре Луис Сараива де Оливейра, физик твердого тела, UNSW Sydney.
Читайте также: Будущие квантовые компьютеры будут бессильны перед “космическим шифрованием”
