Chalmers kvantkylskåp det första av sitt slag

Kvantdatorer kräver temperaturer nära den absoluta nollpunkten för att kunna göra pålitliga beräkningar. En av de utmaningar som bromsar kvantdatorernas utveckling är svårigheten att upprätthålla den extrema kylan som kvantbitarna fordrar.

"Drivs av värme från omgivningen"

Nu har forskare från Chalmers och University of Maryland i USA lyckats bygga ett minimalt, självstyrande kylskåp som kan kyla ner supraledande kvantbitar till rekordlåga temperaturer. 

"Kvantkylskåpet är baserat på supraledande kretsar och drivs av värme från omgivningen, vilket gör det autonomt. Det kan kyla ner kvantbitar till ungefär minus 273,13 grader Det här banar väg för mer pålitliga och felfria kvantberäkningar och innebär mindre belastning på hårdvaran", säger Aamir Ali, forskningsspecialist i kvantteknologi på Chalmers och försteförfattare till en vetenskaplig artikel som nyligen publicerades i Nature Physics..

Kvantdatorer har potential att revolutionera teknologier inom till exempel inom medicin, energi, kryptering, AI och logistik. 

Hyperkänsliga för störningar

Medan de grundläggande informationsenheterna i en klassisk dator, bitar, har värdet 1 eller 0, kan informationsenheterna i kvantdatorer, kvantbitar, ha värdet 1 och 0 samtidigt, i ett fenomen kallat "superposition"

"Kvantbitarna, som är kvantdatorns byggstenar, är hyperkänsliga för störningar i den omgivande miljön. Svaga elektromagnetiska vågor som läcker in i datorn kan ändra värdet på kvantbiten helt slumpmässigt och göra så att fel uppstår, vilket i sin tur sätter stopp för kvantberäkningen", säger Aamir Ali.

Till följd av den stora mängd fel som kvantdatorer behöver korrigera är tiden som en kvantdator kan räkna på ett problem än så länge kraftigt begränsad.

För att kvantbitar ska kunna arbeta felfritt och under längre tid behöver de kylas ner till en temperatur nära den absoluta nollpunkten, motsvarande minus 273,15 grader. Den extrema kylan försätter kvantbitarna i ett grundtillstånd motsvarande värdet 0, vilket är en förutsättning för kvantberäkning. 

Första demonstrationen av autonom kvantterminsk maskin

Det nya kvantkylskåpet från Chalmers och University of Maryland kan komplettera dagens nedkylningsmetoder som baseras på kryostater, och kyla ner ytterligare några hundradels grader. Kvantkylskåpet utnyttjar växelverkan mellan kvantbitar, och drivs av de energiflöden som uppstår till följd av temperaturskillnader mellan de olika kvantsystemen. 

"Från början var det tänkt att det här experimentet skulle vara ett testkoncept, så vi blev glatt överraskade när vi förstod att kvantkylskåpet hade oöverträffad prestanda och lyckades kyla ner kvantbiten till rekordlåga temperaturer", säger Simone Gasparinetti, docent på Chalmers och forskningsledare för studien.

Kvantkylskåpet tillverkades på nanofabrikationslabbet Myfab på Chalmers, och är minimalt nog att rymmas på ett litet chip. När systemet väl sätts i gång fungerar det utan yttre påverkan, och är på så sätt autonomt.

Studien Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics.