Chalmers: Kvantdatorer kräver extrem kyla för att kunna göra pålitliga beräkningar. En av de utmaningar som står i vägen för kvantdatorernas intåg i samhället är just svårigheten att kyla komponenterna till temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Nu har forskare från Chalmers och University of Maryland i USA lyckats bygga ett minimalt, självstyrande kylskåp som kan kyla ner supraledande kvantbitar till rekordlåga temperaturer. Framsteget banar väg för mer tillförlitliga kvantberäkningar.
Kvantdatorer har potential att revolutionera grundläggande teknologier på flera håll i samhället, till exempel inom medicin, energi, kryptering, AI och logistik. Medan de grundläggande informationsenheterna i en klassisk dator, bitar, har värdet 1 eller 0, kan de vanligaste informationsenheterna i kvantdatorer, 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, med enorm beräkningspotential som följd. Men till följd av den stora mängd fel som kvantdatorer behöver korrigera, är tiden som en kvantdator kan räkna på ett problem än så länge kraftigt begränsad.
– 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, forskningsspecialist i kvantteknologi på Chalmers och försteförfattare till en vetenskaplig artikel som nyligen publicerades i Nature Physics.
Uppvisar rekordlåga temperaturer
Kvantdatorer baserade på supraledande elektriska kretsar leder ström med noll resistans och kan bevara information på ett effektivt sätt. 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 som omsluter kvantdatorn och som med hjälp av helium kan kyla ner kvantbitar till så låga temperaturer som minus 273,1 grader. Att faktiskt nå hela vägen ner till den absoluta nollpunkten är enligt fysikens lagar omöjligt. Det nya kvantkylskåpet från Chalmers och University of Maryland kan dock komplettera dagens kryostater, och kyla ner ytterligare några hundradels grader och därmed nå rekordlåga temperaturer i supraledande kvantbitar.
– 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
Kvantkylskåpet 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. Systemet är autonomt på så vis att när det väl sätts i gång fungerar det 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 Simone Gasparinetti, docent på Chalmers och forskningsledare för studien.
Mer om den vetenskapliga artikeln
Studien Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics.
Det minimala kvantkylskåpet, som ryms på ett litet chip, tillverkades på nanofabrikationslabbet Myfab på Chalmers.
Studien är gjord av Mohammed Ali Aamir, Simone Gasparinetti, Claudia Castillo-Moreno och Paul Jamet Suria vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola, samt Nicole Yunger Halpern, José Antonio Marín Guzman och Jeffrey M. Epstein vid Joint Center for Quantum Information and Computer Science, NIST och vid University of Maryland och Institute for Physical Science and Technology vid University of Maryland, USA.
Forskningen har fått stöd från Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse genom Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), EU, Quantum Flagship-projektet ASPECTS och ERC ESQuAT, National Science Foundation och John Templeton Foundation.
