یخچال کوانتومی انقلابی نرخ خطا در Qubits

یک جهش جدید در فناوری کوانتومی در حال تغییر است که دانشمندان چگونه qubits – بلوک های ساختمانی Quantum Computing را برای کار آماده می کنند. محققان یک یخچال کوچک ایجاد کرده اند که می تواند باعث کاهش دمای هوا نسبت به گذشته شود. این دستیابی به موفقیت ممکن است یکی از بزرگترین چالش ها در محاسبات کوانتومی را حل کند: شروع با یک تخته سنگ تمیز و پایدار برای هر محاسبه.

این دستگاه یخچال معمولی نیست. به دیوار وصل نمی شود و به کنترل نرم افزار نیاز دارد. در عوض ، خود را با گرمای ناشی از محیط اطراف خود قدرت می دهد و کاملاً به تنهایی کار می کند. نتیجه؟ یک quit سرد ، عاری از خطاها و بهتر برای کارهای محاسباتی پیچیده آماده شده است.

رایانه های کوانتومی از بیت های معمولی مانند تلفن یا لپ تاپ شما استفاده نمی کنند. درعوض ، آنها از Qubits استفاده می کنند. کمی فقط می تواند ۰ یا ۱ باشد ، اما یک quit می تواند در همان زمان ۰ و ۱ باشد. این صفت ، به نام ابرند ، به رایانه های کوانتومی کمک می کند تا چندین محاسبات را به طور همزمان انجام دهند. این همان چیزی است که آنها را ابزارهای قدرتمندی برای حل مشکلات برای ماشین های معمولی بسیار سخت می کند – مانند شبیه سازی مولکول ها برای داروهای جدید یا بهینه سازی مجموعه داده های عظیم در لجستیک.

اما این قدرت با یک مشکل اساسی همراه است: Qubits بسیار شکننده است. جرقه ای کوچک از گرما یا تابش کمرنگ می تواند مقادیر آنها را از بین ببرد و باعث خطا شود. یک خطای اولیه می تواند چند برابر شود و بقیه محاسبه را خراب می کند. به همین دلیل است که Qubits باید تقریباً به صفر مطلق – صفر کلوین یا حدود منهای ۲۷۳.۱۵ درجه سانتیگراد خنک شود. هرچه آنها سردتر باشند ، انرژی کمتری دارند که به آنها کمک می کند تا پایدار بمانند.

حتی بهترین ماشین های کوانتومی امروزه از یخچال های رقیق کننده بالا استفاده می کنند تا قاب ها را تا حدود ۵۰ میلیکلوین خنک کنند. این ۰.۰۵ درجه بالاتر از صفر مطلق است. اما سردتر از آن دشوار است – تا اکنون.

گروهی از دانشمندان سوئد و ایالات متحده راهی جدید برای خنک کردن کمیته ها پیدا کرده اند. آنها یک یخچال کوانتومی با استفاده از مدارهای ابررسانا ساختند – همان نوع مورد استفاده در رایانه های کوانتومی. دستگاه به سیم یا برق احتیاج ندارد. با استفاده از یک شیب حرارتی یا اختلاف دمای طبیعی بین محیط های گرم و سرد اجرا می شود.

عامیر علی ، متخصص تحقیق در فناوری کوانتومی گفت: “یخچال کوانتومی مبتنی بر مدارهای ابررسانا است و از گرما از محیط زیست تغذیه می شود.” “این می تواند quit هدف را تا ۲۲ میلیکلوین ، بدون کنترل خارجی ، خنک کند.”

این کمتر از نیمی از دمای سیستم های فعلی است. هرچه درجه حرارت پایین تر باشد ، تنظیم مجدد بهتر می شود. این تنظیم مجدد به معنای پاک کردن Quit ، بازگرداندن آن به حالت زمینی – پایین ترین سطح انرژی – قبل از انجام محاسبات جدید است. علی افزود: “با این روش ، ما توانستیم احتمال Quit را افزایش دهیم تا در حالت زمین قرار بگیریم قبل از محاسبه به ۹۹.۹۷ درصد.”

در مقایسه با بهترین نتایج قبلی ۹۹.۸ تا ۹۹.۹۲ درصد ، ممکن است این دست انداز کوچک جزئی به نظر برسد. اما در محاسبات کوانتومی ، حتی تفاوت های ریز نیز می تواند اهمیت داشته باشد. هنگامی که میلیون ها محاسبات به عقب برگردند ، پیشرفت های کوچک به سرعت اضافه می شود.

این دستگاه از هوای سرد یا کمپرسورها استفاده نمی کند. درعوض ، از سه Qubits استفاده می کند. یکی “هدف” Quit است که نیاز به خنک کننده دارد. دو مورد دیگر قلب سیستم خنک کننده است. یکی از این کمبودهای یاور به یک “حمام حرارتی” گرم وصل شده است – یک منطقه مخصوص طراحی شده پر از انرژی مایکروویو. quit یاور دیگر به یک حمام حرارتی سرد متصل می شود.

نیکول یونگر هالپرن ، فیزیکدان در انستیتوی ملی استاندارد و فناوری (NIST) ، آن را مانند این توضیح داد: “انرژی از محیط حرارتی ، که از طریق یکی از دو قطعه یخچال کوانتومی هدایت می شود ، گرما را از quit target به قسمت دوم یخچال و فریزر کوانتومی که سرد است”.

این فرآیند مداوم و اتوماتیک است. پس از شروع ، نیازی به بازخورد خارجی ندارد. این سیستم پایدار می ماند و کار خود را ادامه می دهد – در صورت لزوم دوباره و دوباره هدف را جمع می کند.

سیمون گاسپارینتی ، یکی از محققان اصلی گفت: “کار ما مطمئناً اولین نمایش یک دستگاه حرارتی کوانتومی خودمختار است که یک کار عملاً مفید را اجرا می کند.”

کل دستگاه در آزمایشگاه MyFab در دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد ساخته شده است. این تیم شامل دانشمندان هر دو چالمرز و دانشگاه مریلند در ایالات متحده است

این تیم یک quit را با یک تخته سیاه مقایسه می کند. قبل از حل یک مشکل جدید ، هیئت مدیره باید تمیز شود. در صورت بویختن هر علامت ، می توان آنها را با شماره های جدید اشتباه گرفت. برای Qubits ، این “تمیز کردن” به معنای از بین بردن انرژی اضافی است.

علی گفت: “ما فکر می کنیم این رویکرد راه را برای محاسبات کوانتومی قابل اطمینان تر هموار خواهد کرد.” “در حال حاضر مدیریت خطاها در رایانه های کوانتومی دشوار است. شروع نزدیک به حالت زمین به خطاهای کمتری که برای اصلاح خط نیاز دارید ترکیب می شود.”

تاکنون روش هایی برای تنظیم مجدد Qubits از نظر دما محدود شده است. بیشتر روشها فقط می توانند آنها را تا حدود ۴۰-۴۹ میلیکلوین خنک کنند. این نتایج برای رفع کامل سنبله های اولیه انرژی که منجر به مشکلات محاسبه می شود ، کافی نبود. هدف ۲۲ Millikelvin Target سیستم جدید شروع تمیزتری را ارائه می دهد-مانند استفاده از یک تخته گچ با نام تجاری جدید برای هر مشکل.

یونگر هالپرن گفت: “اگر شما را به دمای پایین خنک نمی کنید ، نمی توانید تخته را به طور کامل پاک کنید.”

این تیم تصمیم به تغییر آینده محاسبات کوانتومی نکرد. در ابتدا ، این آزمایش به عنوان یک اثبات ساده از مفهوم منظور شده بود. اما نتایج فراتر از انتظارات بود.

یونگر هالپرن گفت: “این می تواند یکی از مشکلات در طراحی رایانه کوانتومی را برطرف کند.” “این همچنین نشان می دهد که ما می توانیم از یک قسمت از یخچال کامپیوتر گرم کنیم و گرما را به کار تبدیل کنیم.”

این رویکرد ممکن است درب ابزارها و کارکردهای جدیدی را که هنوز تصور نکرده ایم باز کند. با خنک کننده دقیق تر ، رایانه های کوانتومی می توانند محاسبات قابل اطمینان تری را انجام دهند و زمان کمتری را برای رفع خطاهای اولیه هدر دهند.

در حالی که رایانه های کوانتومی هنوز در حال توسعه هستند و هنوز به طور گسترده ای مورد استفاده قرار نمی گیرند ، پیشرفت هایی مانند این باعث می شود آنها به استفاده عملی نزدیک شوند. محققان معتقدند که ماشین های کوانتومی می توانند به طراحی داروهای جدید ، بهبود رمزگذاری و حل مشکلاتی که برای رایانه های کلاسیک بسیار پیچیده هستند ، کمک کنند.

این تیم با حمایت چندین پایه اصلی تحقیقاتی در سراسر اروپا و ایالات متحده ، به بررسی چگونگی کار با انرژی حرارتی و کوانتومی می توانند با هم بپردازند.

مقاله آنها ، که در مجله Nature Physics منتشر شده است ، یک لحظه کلیدی در جستجوی فناوری کوانتومی باهوش تر و با ثبات تر است.