Nanochladnička. Kredit: Kuan Yen Tan.

Teplo a počítače se navzájem nemají moc v lásce. Dokonce i kvantové počítače potřebují za provozu chladit. Klasické počítače musejí používat proti nadbytečnému teplu různé triky, jako jsou například vestavěné větráky. Kvantové počítače jsou na tom vlastně podobně. Nepracují s bity a s jejich nulami a jedničkami, ale s qubity, v nichž mohou být nuly a jedničky v superpozici. Qubity musejí být izolovány od okolního šumu, neboť i nepatrná interference může zrušit superpozici a zhatit tím kvantové výpočty. Izolované qubity se ale snadno zahřívají a udržet je v chladu dá práci.

Mikko Möttönen. Kredit: CSC.

Qubity musejí začínat výpočty v základní stavu o nízké teplotě. A během výpočtu vzrůstá teplota. Pokud má qubit uskutečnit více kvantových algoritmů za sebou, tak je nutné ho okamžitě chladit. Standardní větrák z klasického počítače k tomu ale nestačí. Mikko Möttönen z finské Univerzity v Aalto a jeho kolegové postavili první samostatné chladící zařízení pro kvantový obvod. Taková nanochladnička by se přitom mohla uplatnit v mnoha typech kvantových elektronických zařízeních – včetně počítačů.

Nanochladič tvoří obvod, v němž zakázaný pás odděluje supravodivou oblast, kde elektrony sviští bez odporu, od nesupravodivé oblasti, kde elektrony brzdí odpor. Do supravodivé oblasti se přes zakázaný pás mohou dostat jenom takové elektrony, které mají dost energie. Pokud energii nemají, tak se musejí ploužit v nesupravodivé oblasti.

Logo Aalto University.

Když ale elektronům chybí jen špetka energie k tomu, aby se dostaly přes zakázaný pás, tak si mohou chytit foton z rezonátoru, který je poblíž. Právě rezonátor ale představuje qubit, takže se tímto procesem vlastně neustále ochlazuje. Energetičtější elektrony se dostanou přes zakázanou oblast, méně energetické fotony trčí na místě. Funguje to jako chladnička.

Spirosovi Michalakisovi z Caltechu nanochladič připomíná legendárního Maxwellova démona. Ten vlastně taky třídí horké a chladé částice ve dvou komorách a vytváří v nich velmi rozdílné teploty. Ve kvantové nanochladničce sice žádný démon není, ale funguje skoro tak dobře, jako kdyby tam byl.

Dalším krokem by mělo být zařízení, které bude chladit qubity v běžném provozu. Badatelé ho budou muset vyladit, aby při vypnutí nanochladnička nezrušila qubit. Möttönen si je už teď tak jistý úspěchem, že si už zažádal o patent. Tak za 10 až 15 let by podle Möttönena nanochladiče mohly být komerčně úspěšné.

Video:  How to Cool Down a Quantum Bit - the Quantum-Circuit Refrigerator


Literatura
New Scientist 8. 5. 2017, Nature Communications 8: 15189.