Στο «απόλυτο μηδέν» των θερμοκρασιών: Σημαντική ανακάλυψη για τους κβαντικούς υπολογιστές

Το κρυογονικό σύστημα, που ονομάζεται Gooseberry, θέτει τα θεμέλια για αυτό που θα μπορούσε να είναι μια επανάσταση στους κβαντικούς υπολογιστές - επιτρέποντας σε μια νέα γενιά μηχανημάτων να εκτελούν υπολογισμούς με χιλιάδες κβαντικά qubit ή περισσότερα, ενώ οι σημερινές προηγμένες συσκευές φτάνουν σε μερικές δεκάδες qubit.

«Οι μεγαλύτεροι κβαντικοί υπολογιστές στον κόσμο λειτουργούν αυτήν τη στιγμή με μόλις 50 qubits» εξηγεί ο κβαντικός φυσικός David Reilly από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϋ και το Quantum Laboratory της Microsoft. «Αυτή η μικρή κλίμακα οφείλεται εν μέρει στα όρια της φυσικής αρχιτεκτονικής που ελέγχουν τα qubits.»

Αυτή η φυσική αρχιτεκτονική περιορίζεται λόγω των ακραίων συνθηκών στις οποίες πραγματοποιούνται οι κβαντικοί υπολογισμοί. Σε αντίθεση με τα δυαδικά ψηφία στους παραδοσιακούς υπολογιστές, που λαμβάνουν τιμή 0 ή 1, τα qubits καταλαμβάνουν αυτό που είναι γνωστό ως κβαντική υπέρθεση - κάθε κβαντική κατάσταση μπορεί να περιγραφεί ως το άθροισμα πολλαπλών διακριτών βασικών καταστάσεων.

Αυτή η εσωτερική αρχή της κβαντικής μηχανικής σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν θεωρητικά να λύσουν πολύπλοκα μαθηματικά προβλήματα στα οποία οι κλασικοί υπολογιστές δεν θα μπορούσαν ποτέ να ανταποκριθούν (ή να χρειαστούν χρόνια για την προσπάθεια τους).

Ένας από τους λόγους που συμβαίνει αυτό στους κβαντικούς υπολογιστές είναι ότι τα qubits χρειάζονται ακραία επίπεδα κρύου για να λειτουργήσουν (εκτός από άλλες ελεγχόμενες συνθήκες), και η ηλεκτρική καλωδίωση που χρησιμοποιείται στα σημερινά συστήματα αποδίδει αναπόφευκτα μικρά αλλά επαρκή επίπεδα θερμότητας, που διαταράσσουν τις θερμικές απαιτήσεις.

Οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους για να το ξεπεράσουν αυτό, αλλά μέχρι σήμερα πολλές κβαντικές καινοτομίες εξαρτώνται από τη δημιουργία ογκωδών εγκαταστάσεων καλωδίωσης για να διατηρήσουν τις θερμοκρασίες σταθερές με στόχο την αύξηση του αριθμού των qubit, με τη λύση να έχει τα δικά της όρια.

Η λύση σε αυτό ενδέχεται να είναι το Gooseberry: ένα κρυογονικό chipset που μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασίες «millikelvin», απειροελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν, όπως περιγράφεται σε μια νέα μελέτη.

Αυτή η ακραία κατάσταση σημαίνει ότι μπορεί να μείνει μέσα σε εξαιρετικά ψυχρό περιβάλλον, να επικοινωνεί και να μεταδίδει σήματα σε έναν δευτερεύοντα πυρήνα που βρίσκεται έξω, σε μια άλλη εξαιρετικά κρύα δεξαμενή, βυθισμένη σε υγρό ήλιο. Με αυτόν τον τρόπο, αφαιρεί όλη την υπερβολική καλωδίωση και την πλεονάζουσα θερμότητα που αυτή παράγει.

«Το τσιπ είναι το πιο περίπλοκο ηλεκτρονικό σύστημα που λειτουργεί σε αυτήν τη θερμοκρασία», εξήγησε ο Reilly. «Είναι η πρώτη φορά που ένα τσιπ μικτού σήματος με 100.000 τρανζίστορ λειτουργεί σε 0,1 kelvin, ισοδύναμο με -273,05-βαθμούς Κελσίου».

Τελικά, η ομάδα αναμένει ότι το σύστημά θα μπορούσε να επιτρέψει τον έλεγχο χιλιάδων qubit από το κρυογονικό chipset - περίπου 20 φορές αύξηση σε αυτό που είναι εφικτό σήμερα. Στο μέλλον, η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε να επιτρέψει στους κβαντικούς υπολογιστές να λειτουργούν σε άλλο επίπεδο.