För att kvantdatorer ska kunna fungera krävs extrem kyla. Men dagens kylsystem avger störande brus som får den känsliga kvantinformationen att kollapsa. Nu har forskare på Chalmers tagit ett helt nytt grepp och använder det problematiska bruset för att driva ett kvantkylskåp. Kylskåpet kan kontrollera flöden av värme och energi med hög precision och kan få en betydande roll i uppskalningen av kvantteknik.
Kvantteknologi tros på sikt kunna revolutionera samhället inom flera olika områden, exempelvis läkemedelsutveckling, AI, logistik och säker kommunikation. Men innan den nya tekniken kan komma till praktisk nytta i samhället återstår en rad utmaningar. En av de mest avgörande handlar om att skydda och kontrollera de ömtåliga kvanttillstånd som teknologin bygger på.
För att en kvantdator, som är baserad på supraledande kretsar, ska fungera behöver den kylas ner till extremt låga temperaturer nära den absoluta nollpunkten, det vill säga minus 273 grader Celsius. Vid dessa temperaturer blir kvantsystemet supraledande och elektroner kan röra sig fritt helt utan motstånd. Det är först då det eftersträvansvärda kvanttillståndet kan uppstå i kvantdatorns grundläggande enheter för information, kvantbitarna.
Men dessa kvanttillstånd är sköra. Minsta brus, som temperaturskiftningar eller elektromagnetisk störning, kan snabbt förstöra information i systemet. För att kunna använda kvantdatorer till att lösa reella problem i praktiken behöver de bli större och baseras på fler kvantbitar. Men ju större och mer komplexa kvantsystemen blir, desto viktigare blir det att hindra brus från att sprida sig och förstöra kvanttillstånden.
– Många kvantmekaniska system begränsas i praktiken av hur energi transporteras och förloras som värme till omgivningen. När vi förstår de här flödesvägarna – och kan mäta dem – kan vi konstruera kvantenheter där värmeflöden blir förutsägbara, styrbara och till och med användbara, säger Simon Sundelin, doktorand i kvantteknologi på Chalmers och studiens försteförfattare.
Använder brus för att kyla ner
I en studie publicerad i Nature Communications presenterar en grupp Chalmersforskare ett helt nytt slags kvantkylskåp som paradoxalt nog använder just bruset som drivkraft för nedkylning – i stället för att försöka eliminera det.
– Fysiker har länge spekulerat kring ett fenomen som kallas brownisk kylning – idén att slumpmässiga förändringar i temperatur kan utnyttjas för att skapa en kyleffekt. Vårt arbete är så nära som det hittills gått att komma detta koncept, säger Simone Gasparinetti, universitetslektor på Chalmers och senior författare till studien.
Kylskåpets hjärta utgörs av en supraledande artificiell molekyl som konstruerats i Chalmers laboratorium. På många sätt beter den sig som en naturligt förekommande molekyl men i stället för att bestå av riktiga atomer är den uppbyggd av små supraledande elektriska kretsar. Genom att koppla den artificiella molekylen till två mikrovågskanaler och tillföra ett kontrollerat mikrovågsbrus i form av slumpmässiga signalfluktuationer i ett smalt frekvensband, kan forskarna styra och kontrollera flödet av energi och värme.
– De två mikrovågskanalerna fungerar som en varm och en kall reservoar, men det avgörande är att ett utbyte av värme möjliggörs först när vi tillför brus genom en tredje port. Bruset möjliggör och driver värmetransport mellan reservoarerna via den artificiella molekylen. Vi kunde mäta extremt små värmeströmmar, ner till en effekt i storleksordningen attowatt, alltså 10-18 watt. Om man använde ett så litet värmeflöde för att värma en vattendroppe skulle det ta ungefär lika lång tid som universums ålder innan temperaturen steg med en enda grad, säger Simon Sundelin.
Nya möjligheter för framtidens kvantteknologi
Genom att justera temperaturerna i reservoarerna och mäta extremt små värmeflöden kan forskarnas kylskåp fungera på flera sätt – som kylskåp, värmemotor eller förstärkare av värmetransport. Möjligheten att kontrollera och styra energi med så pass hög precision är särskilt viktig i större kvantsystem, där värme uppstår lokalt när kvantbitar styrs och mäts.
– Vi ser detta som ett viktigt steg mot att kunna styra värme direkt inne i kvantkretsar på en skala som konventionella kylsystem inte klarar. Att kunna avlägsna eller omdirigera värme på den här minimala skalan öppnar dörren för mer tillförlitliga och robusta kvantteknologier, säger Aamir Ali, forskare i kvantteknologi på Chalmers och medförfattare till studien.
Mer om studien
Studien Quantum refrigeration powered by noise in a superconducting circuit har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications. Författarna till studien är Simon Sundelin, Mohammed Ali Aamir, Vyom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno och Simone Gasparinetti, samtliga verksamma vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola.
Kvantkylskåpet har tillverkats i renrummet för nano- och mikrofabrikation, Myfab, på Chalmers.
Finansiering
Forskningsprojektet har fått finansiering från Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse genom Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), Europeiska forskningsrådet samt Europeiska unionen.
Tidigare studier av samma forskare:
Kvantklockor kan vara mer exakta än väntat
Rekordkallt kvantkylskåp kan ge pålitliga kvantdatorer
- Doktorand, Kvantteknologi, Mikroteknologi och nanovetenskap
- Universitetslektor, Kvantteknologi, Mikroteknologi och nanovetenskap
- Forskningsspecialist, Kvantteknologi, Mikroteknologi och nanovetenskap