Rekordkallt kylskåp kan ge bättre kvantdatorer
För att hyperkänsliga kvantdatorer ska kunna göra pålitliga beräkningar krävs en temperatur nära den absoluta nollpunkten. Nu har forskare vid Chalmers lyckats bygga ett minimalt kvantkylskåp som ryms på ett litet chip. Med hjälp av det kan datorernas byggstenar, kvantbitarna, kylas ner till rekordlåga temperaturer.
Kvantdatorer har potential att revolutionera grundläggande teknologier inom många områden, till exempel inom medicin, energi, kryptering, artificiell intelligens och logistik. Men en hel del problem återstår att lösa innan dessa datorer kan tåga in i samhället på bred front och utföra pålitliga kvantberäkningar. En utmaning är att komponenterna kräver extremt låga temperaturer.
Superkraftiga men känsliga
De grundläggande informationsenheterna i en klassisk dator, bitar, har värdet 1 eller 0. Men i kvantdatorer kan de motsvarande enheterna, kvantbitar, ha värdet 1 och 0 samtidigt – i vilken kombination som helst. Fenomenet kallas superposition och är en av orsakerna till att en kvantdator kan utföra parallella beräkningar, något som öppnar för enormt avancerade beräkningar.
Men i nuläget måste kvantdatorer korrigera stora mängder fel som uppstår. Det här innebär att tiden för korrekta beräkningar minskar.
– Kvantbitarna, som är kvantdatorns byggstenar, är hyperkänsliga för störningar i den omgivande miljön. Svaga elektromagnetiska vågor som läcker in i datorn kan ändra värdet på kvantbiten helt slumpmässigt och göra så att fel uppstår, vilket i sin tur sätter stopp för kvantberäkningen, säger Aamir Ali som är forskare i kvantteknologi på Chalmers tekniska högskola.
Kräver rekordlåga temperaturer
Kvantdatorer baserade på supraledande elektriska kretsar leder ström med noll resistans, och kan bevara information på ett effektivt sätt. Men för att kvantbitar ska kunna arbeta felfritt – och under längre tid – i ett sådant system behöver de kylas ner till en temperatur nära den absoluta nollpunkten, motsvarande minus 273,15 grader.
Den extrema kylan försätter kvantbitarna i ett slags lågenergiskt grundtillstånd, motsvarande värdet 0, vilket är en förutsättning för att en kvantberäkning ska kunna påbörjas.
I dag används ofta kryostater, en kylsystem, som omsluter kvantdatorn. Med hjälp av helium kan kvantbitar kylas ner till så låga temperaturer som minus 273,1 grader. Men att nå hela vägen till den absoluta nollpunkten är enligt fysikens lagar omöjligt.
Minikylskåp komplement till kryostat
Forskare vid Chalmers och University of Maryland har nu utvecklat ett nytt kvantkylskåp för att komplettera dagens kryostater och kyla ner kvantbitarna ytterligare några hundradels grader. Det innebär att det är möjligt att nå en rekordlåg temperatur.
– Kvantkylskåpet är baserat på supraledande kretsar och drivs av värme från omgivningen, vilket gör det autonomt. Det kan kyla ner kvantbitar till ungefär minus 273,13 grader. Det här banar väg för mer pålitliga och felfria kvantberäkningar och innebär mindre belastning på hårdvaran, säger Aamir Ali.
Oväntade resultat
Det lilla kylskåpet utnyttjar växelverkan mellan olika kvantbitar, närmare bestämt mellan kvantbiten man vill kyla ner och två kvantbitar som används för nedkylningen. Det drivs av de energiflöden som uppstår till följd av temperaturskillnader mellan de olika kvantsystemen. När systemet väl sätts igång fungerar det självständigt utan yttre påverkan.
– Vårt arbete är utan tvekan den första demonstrationen av en autonom kvanttermisk maskin som utför en praktiskt användbar uppgift. Från början var det tänkt att det här experimentet skulle vara ett testkoncept, så vi blev glatt överraskade när vi förstod att kvantkylskåpet hade oöverträffad prestanda och lyckades kyla ner kvantbiten till rekordlåga temperaturer, säger forskningsledaren Simone Gasparinetti, docent på Chalmers.
Vetenskaplig studie:
Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit, Nature Physics.
