Ученые придумали нанохолодильник для квантового компьютера

МОСКВА, 18 декабря. /ТАСС/. Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из США и Швейцарии описали первое в своем роде устройство, которое точечно охлаждает кубиты - наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере - и может найти применение при создании микроскопических холодильников и для охлаждения квантовых компьютеров. Об этом во вторник сообщила пресс-служба МФТИ.

"Ученые из МФТИ с коллегами из США и Швейцарии описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла - устройство, локально нарушающее второе начало термодинамики [согласно которому энтропия, то есть неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться]. Устройство может найти применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия", - говорится в сообщении

Ученые провели эксперимент, целью которого было перевести кубит, который может пребывать в двух состояниях с одинаковой энергией - смешанном и чистом - в чистое, для которого характерна большая упорядоченность. Роль кубита в исследовании выполнял сверхпроводящий искусственный атом - микроскопическое устройство из тонких пленок алюминия, нанесенных на кремниевый чип. Ценность чистого состояния кубита в том, что его можно относительно легко перевести в основное состояние при помощи электромагнитного поля. При этом кубит охладится.

Демон - такой же кубит, он присоединяется к рабочему кубиту волноводом - особым кабелем, после чего кубиты меняются состояниями. "Наш демон делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Важно, что кубит при этом не изменяет свою энергию - это первое устройство такого рода с макроскопическим радиусом действия", - сказал ведущий автор статьи, сотрудник МФТИ и ETH Zurich Андрей Лебедев. Отмечается, что кубит находится от демона на расстоянии 1-5 м.

При этом демон нарушает закон термодинамики, согласно которому энтропия, то есть неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться. Однако, как отмечают авторы статьи, речь идет лишь о локальном нарушении закона физики. Дело в том, что демона нужно особым образом готовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а на это уходит энергия, поэтому систему "кубит - демон" нельзя считать энергетически изолированной.

"Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. Это может быть полезно, например, для алгоритмического охлаждения квантового компьютера: можно в коде основной "квантовой" программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты", - сказал заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик.

О квантовом компьютере

Квантовый компьютер - одна из самых обсуждаемых тем в науке и технологии за последние годы, это гипотетическое устройство на стыке информационных технологий и квантовой физики. В современных компьютерах единицей информации является бит, который может находиться в одном из двух возможных положений - ноль или единица. Единица информации в квантовом компьютере - кубит - в свою очередь может находиться в так называемом состоянии суперпозиции, то есть быть и нулем, и единицей одновременно. Это позволяет выполнять операции над большим количеством чисел одновременно (квантовый параллелизм), значительно ускорить вычисления, решать задачи, которые требуют астрономически большого времени даже на современных суперкомпьютерах.