Sukurtas pirmasis pasaulyje „šaltasis demonas”: paaiškino, kaip veiks speciali kvantinių kompiuterių šaldymo sistema (1)
Kad kvantiniai kompiuteriai veiktų, juos reikia gerokai atvėsinti. Tyrėjų sukurtas mažutis nanošaldytuvas kubitus atšaldo pakankamai, kad šie galėtų funkcionuoti.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Klasikiniuose kompiuteriuose sumontuoti ventiliatoriai ir kitos priemonės sklaido perteklinę šilumą, ir šiuo aspektu kvantinių kompiuterių poreikiai nė kiek ne mažesni. Užuot dirbę su informacijos bitais, kurie gali įgauti 0 ir 1 reikšmes, kvantiniame kompiuteryje naudojami „kubitai“, galintys įgauti abi šias reikšmes tuo pačiu metu – tai vadinama superpozicija – tokios ja kvantų mechanikos įdomybės. Šiuos kubitus būtina saugoti nuo bet kokio išorinio triukšmo, nes netgi švelniausias sutrukdymas superpoziciją sugriauna, ir taip skaičiavimuose randasi klaidos. Geri izoliuoti kubitai labai nesunkiai įkaista, tad jų darbinės temperatūros žemumų išlaikymas – tikras iššūkis.
Be to, kitaip nei klasikiniame kompiuteryje, kubitai algoritmą turi pradėti vykdyti, būdami pagrindinėje žemos temperatūros būsenoje. Skaičiuodami kubitai kaista, tad, norint vieną po kito vykdyti kelis kvantinius algoritmus, šaldymo mechanizmas su šia užduotimi turi susitvarkyti greitai. Standartinio ventiliatoriaus nepakaks.
Mikko Möttönen iš Aalto universiteto Suomijoje su kolegomis sukūrė pirmąjį specialų kvantinių grandynų šaldymo įrenginį. Jis galės būti integruotas įvairiausiuose kvantinės elektronikos įrenginiuose – taip pat kompiuteriuose.
Komanda sukūrė grandyną su energijos plyšiu, skiriančiu du kanalus: superlaidžią greitąją juostą, kur elektronai gali lakstyti be varžos, ir lėtąją, turinčią varžą (nesuperlaidžią) juostą. Į superlaidžiąją juostą gali peršokti tik pakankamai energijos turintys elektronai; kiti lieka lėtojoje juostoje.
Jei kokiam vargšeliui elektronui vos vos trūksta energijos šuoliui, jis gali pasistiprinti fotono, sklindančio iš greta esančio rezonatoriaus – įrenginio, galinčio funkcionuoti kaip kubitas – energija. Taip rezonatorius atvėsta.
Toks atrankinis šaldymas veikia ir elektronus: karštesni elektronai peršoka tarpą, o vėsesni pasilieka. Taip šiluma šalinama iš sistemos – labai panašiai veikia ir šaldytuvai.
Šaltasis demonas
Spiros Michalakis iš Kalifornijos technologijos instituto nedrąsiai lygina šį įrenginį su garsiuoju Maxwello Demono mintiniu eksperimentu, kur protingas padaras prižiūri dėžutę su dujų atomais, padalintą į dvi kameras. Per skyle tarp kamerų esančioje pertvaroje demonas praleidžia tik karščiausius, energingiausius atomus, ir taip susidaro ryškus temperatūrų skirtumas.
Kvantiniame šaldytuve demonas netupi, bet jis veikia panašiu principu, sako Michalakis. „Tai lyg varteliai, panašūs į Maxwello demoną, pro kuriuos gali praeiti tik elektronai, turintys didesnę už tam tikrą reikšmę energiją,” paaiškino jis.
Kitas žingsnis įrenginio pagaminimas ir tikrų kubitų šaldymas su juo, stengiantis atsitiktinai nesunaikinti superpozicijos, kai šaldytuvas išjungtas. Möttönenas pakankamai įsitikinęs sėkme, tad pateikė įrenginio patentą.
„Gal po 10 – 15 metų tai bus komerciškai naudinga,” svarsto jis. „Tai pasiekti šiek tiek užtruks, bet esu tikras, galiausiai tai įgyvendinsime.”
Jennifer Ouellette
newscientist.com
Žurnalo nuoroda: Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms15189