Нанохолодильник для квантового компьютера
Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из США и Швейцарии описали первое в своем роде устройство, которое точечно охлаждает кубиты — наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере. Оно может найти применение при создании микроскопических холодильников и для охлаждения квантовых компьютеров, сообщает пресс-служба МФТИ.
Ученые из МФТИ с коллегами из США и Швейцарии описали пространственно-разнесенного квантового «демона Максвелла» — устройство, локально нарушающее второе начало термодинамики, согласно которому энтропия, то есть неупорядоченность энергетически изолированной системы, не может самопроизвольно уменьшаться.
Ученые провели эксперимент, целью которого было перевести кубит, который может пребывать в двух состояниях с одинаковой энергией — смешанном и чистом, — в чистое, для которого характерна большая упорядоченность. Роль кубита в исследовании выполнял сверхпроводящий искусственный атом — микроскопическое устройство из тонких пленок алюминия, нанесенных на кремниевый чип. Ценность чистого состояния кубита в том, что его можно относительно легко перевести в основное состояние при помощи электромагнитного поля. При этом кубит охладится.
Демон — такой же кубит, он присоединяется к рабочему кубиту волноводом — особым кабелем, после чего кубиты меняются состояниями. «Наш демон делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Важно, что кубит при этом не изменяет свою энергию, — это первое устройство такого рода с макроскопическим радиусом действия», — рассказал ведущий автор статьи, сотрудник МФТИ и ETH Zurich Андрей Лебедев. Отмечается, что кубит находится от демона на расстоянии от одного до пяти метров.
Демон нарушает закон термодинамики. Однако, как пишут авторы статьи, речь идет лишь о локальном нарушении закона физики. Дело в том, что демона нужно особым образом готовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а на это уходит энергия, поэтому систему «кубит — демон» нельзя считать энергетически изолированной.
«Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. Это может быть полезно, например, для алгоритмического охлаждения квантового компьютера: можно в коде основной “квантовой” программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты», — пояснил заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик.
А ученые Сколковского института науки и технологий (Сколтеха) разработали новый метод для расчета динамики больших квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрообъектов, таких как фотоны или электроны, для чего соединили принципы квантовой и классической физики. Аналогичные вычисления невозможно провести на современных компьютерах, так как ни один из них не обладает нужными ресурсами. Об этом сообщает пресс-служба вуза.
Метод успешно применен к задачам ядерного магнитного резонанса. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда.
Любой материальный объект состоит из атомов, а атомы — из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер. Многие атомные ядра, в свою очередь, являются крошечными магнитами, которые приходят в движение под воздействием магнитного поля. Это явление, открытое в первой половине XX века, известно как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), наиболее известным из способов его применения стала магнитно-резонансная томография (МРТ).
Одна из проблем в теории ЯМР, которая до сих пор остается нерешенной, — как научиться предсказывать отклик ядер в твердых телах при воздействии на них магнитным полем. Эта проблема является частным случаем более общей проблемы описания динамики систем, состоящих из большого количества квантовых частиц. Прямое компьютерное моделирование в этих случаях требует огромных вычислительных ресурсов, которых в сейчас нет ни у кого в мире.
В качестве одного из способов решения этой проблемы ученые предложили использовать квантовую физику только для моделирования центральной части системы, в то время как оставшаяся часть моделируется классическими методами. Однако совмещение квантовой динамики с классической — сложная задача: например, в то время как классическая система в каждый момент времени пребывает только в одном состоянии, квантовая система может быть в нескольких состояниях одновременно.
Аспиранту Григорию Старкову и профессору Борису Файну удалось преодолеть трудности и предложить гибридный вычислительный метод, совмещающий в себе квантовое моделирование с классическим. «Эта работа стала результатом многолетних усилий, за последние 70 лет много групп по всему миру пытались делать такие расчеты. Нам удалось продвинуться дальше остальных. Мы очень надеемся, что наш гибридный подход найдет широкое применение как в ЯМР, так и за его пределами», — отметил Борис Файн.
Квантовый компьютер — одна из самых обсуждаемых тем в науке и технологиях за последние годы, это гипотетическое устройство на стыке информационных технологий и квантовой физики. В современных компьютерах единицей информации является бит, который может находиться в одном из двух возможных положений — ноль или единица. Единица информации в квантовом компьютере — кубит — в свою очередь, может находиться в так называемом состоянии суперпозиции, то есть быть и нулем, и единицей одновременно. Это позволяет выполнять операции над большим количеством чисел одновременно (квантовый параллелизм), значительно ускорить вычисления, решать задачи, которые требуют астрономически большого времени даже на современных суперкомпьютерах.