Nanofridge可以让量子计算机保持足够的冷却来计算-量子客
这种厘米大小的芯片具有纳米级制冷

 

即使是量子计算机也需要保持冷静。现在,研究人员已经建立了一个微型的纳米级冰箱,以保持足够冷的量子位。

古典计算机需要内置风扇和其他散热方式,量子计算机也不例外。量子计算机不像经典机器那样使用0或1的信息,而是依靠“量子位”,它可以同时处于两种状态,称为叠加态——这要归功于量子力学的特性。这些量子位必须屏蔽所有外部噪声,因为最小的干扰会破坏叠加,导致计算错误。好的孤立的量子位可以很容易地加热,所以保持它们的凉爽是一个挑战。

而且,与传统的计算机不同,量子位元必须从它们的低温基态开始运行一个算法。在计算过程中,量子位会升温,所以如果你想要一个接一个地运行几个量子算法,任何冷却机制都必须能够快速完成它的工作。一个标准的风扇是不会切断它的。

现在,芬兰阿尔托大学的Mikko Mottonen和他的同事们已经为量子电路建立了第一个独立的冷却装置。它可能最终被集成到多种量子电子器件­——包括一台电脑。

该团队建立了一个电路,它的能量缺口分为两个通道:一个超导快车道,其中电子可以在零电阻的情况下,以及一个缓慢的电阻(非超导)车道。只有有足够能量的电子跃过这个间隙才能到达超导体高速公路;其余的被困在慢车道上。

如果某个可怜的电子没有足够的能量来进行跳跃,它可以通过从附近的谐振器捕获一个光子来获得提升——一个可以作为量子位的装置。结果,谐振器逐渐冷却下来。

随着时间的推移,这对电子也有选择性冷却效应:较热的电子跃迁到间隙,而较冷的电子则落在后面。这个过程可以从系统中去除热量,就像冰箱的功能一样。

寒冷的恶魔

加州理工学院的Spiros Michalakis与著名的思维实验“麦克斯韦妖”(Maxwell’s Demon)做了一个比较松的类比。在这个实验中,一个聪明的人掌管着一盒气体原子,它被分成了两个房间。恶魔只允许最炽热或最活跃的原子通过分隔两个房间的墙的开口,导致两者之间的温度有明显的差异。

在量子电冰箱里没有恶魔,但它的工作方式类似,Michalakis说。他说:“这就像是一个类似于麦克斯韦妖的大门,在那里你只允许能量超过一定阈值的电子穿过。”

下一步将是用它来建造设备和冷却实际的量子位,小心不要在冰箱关闭时不小心破坏叠加。Mottonen对最终的成功充满信心,他已经申请了该设备的专利。
“也许在10到15年内,这可能在商业上是有用的,”他说。“这将需要一段时间,但我确信我们会成功的。”