Магнитное охлаждение для квантовых компьютеров: как это работает

8 минут

Разработчики из университета Мюнхена довели до стадии промышленного производства проект постоянной магнитной системы охлаждения до абсолютного нуля. Такие системы снижают стоимость квантовых компьютеров. Покупка и эксплуатация высокопроизводительных систем для параллельных вычислений становятся дешевле. А значит, вырастет число их бизнес-пользователей.

Магнитное поле и абсолютный ноль

Ученые кафедры физики при Техническом университете Мюнхена (Technical University of Munich, TUM) объявили о создании «постоянной магнитной системы охлаждения», способной снижать температуру до экстремально низких уровней – вплоть до абсолютного нуля (0° по шкале Кельвина, или -273°С).

Именно такие условия требуются для эффективной работы квантовых компьютеров: чем ниже температура, тем более стабильно функционируют кубиты. По мере роста интереса к квантовым вычислениям со стороны компаний и правительств, по мере перехода технологий квантовой механики из стадии лабораторных исследований в коммерческие изделия, растет и спрос на решения для эффективного охлаждения таких систем.

Ранее для поддержания абсолютного нуля в квантовых компьютерах применялся чрезвычайно редкий и дорогой изотоп гелия-3. Сейчас применяются сжиженные инертные газы, что менее затратно, но все же дорого и сложно технически. Системы охлаждения до абсолютного нуля также широко востребованы в промышленности для работы сверхчувствительных сенсоров – за счет экстремально низких температур сводится к минимуму собственный «шум» таких датчиков, в результате чего чувствительность может возрастать в отдельных случаях на порядки.

Из лаборатории в производство

Сама идея использования магнитных систем для охлаждения до экстремально низких температур не нова, однако до сих пор все разработки в этой области обеспечивали лишь кратковременный режим работы. Ученым TUM впервые удалось создать решение для длительной эксплуатации и довести его до стадии коммерческого внедрения.

После получения стабильных результатов и создания опытной магнитной системы охлаждения авторы изобретения – Александр Регнат (Alexander Regnat), Ян Спаллек (Jan Spallek), Томек Шульц (Tomek Schulz) и профессор Кристиан Фляйдерер (Christian Pfleiderer) создали технологический стартап под названием kiutra GmbH, который занимается продажами технологии всем заинтересованным потребителям.

Александ Регнат, профессор Кристиан Файдерер, Ян Спаллек и Томек Шульц с системой охлаждения

Фото: W. Schürmann / TUM

«Мы являемся первым в мире коммерческим поставщиком системы охлаждения, которая способна обеспечить близкие к абсолютному нулю температуры с помощью магнитных технологий на постоянной основе. Ключевое преимущество технологии в том, что для этого нам не требуется дорогостоящий гелий-3. Все, что нам нужно – это электричество», — отметил Александр Регнат в релизе о запуске kiutra.

Как это работает

Технология охлаждения компании kiutra представляет собой сочетание простой или многоступенчатой системы магнитного охлаждения с системой предварительного охлаждения замкнутого цикла. Охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю, производится в полностью автоматическом режиме без применения криогенных устройств.

Магнитное охлаждение основано на магнитно-тепловом эффекте и работает следующим образом. В процессе намагничивания окружающей среды происходит выравнивание магнитных моментов и соответствующее выделение тепла. И напротив: в процессе размагничивания температура среды снижается.

Системы kiutra могут функционировать в двух различных режимах магнитного охлаждения.

Техника одноразового охлаждения

Первый режим – «одноразовое» адиабатическое размагничивающее охлаждение (Single-shot Adiabatic Demagnetization Refrigeration, ADR) — подразумевает единовременное охлаждение по циклу.

Адиабатическое размагничивающее охлаждение одного цикла

Источник: kiutra, 2019

В стартовой фазе охлаждающая среда (хладагент), предварительно охлажденная до базовой температуры криогенным охладителем замкнутого цикла (от 300К до 4К), подвергается намагничиванию, при этом выделяемое в процессе намагничивания тепло рассеивается крио-охладителем.

Далее с помощью специального «теплового переключателя» производится термическая «развязка» охлаждающей среды, после чего она размагничивается с соответствующим падением ее температуры (до >1К).

Система адиабатического размагничивающего охлаждения одного цикла

Источник: kiutra, 2019

По достижении заданной температуры охлаждения уровень магнитного поля снижается, и система может обеспечивать регулируемое охлаждение с постоянной заданной температурой в течение достаточно продолжительного времени – нескольких часов или даже суток. При снижении уровня магнитного поля до нуля охлаждение завершается, и далее может быть запущен следующий цикл намагничивания и охлаждения.

Многоступенчатое постоянное охлаждение

Второй режим – Continuous ADR — обеспечивает постоянное охлаждение на протяжении продолжительного времени. Именно этот режим применим для охлаждения квантовых компьютеров.Источник: kiutra, 2019

Для этого режима kiutra предлагает многоступенчатые магнитные системы без криогенных охладителей. Инженерная хитрость в таких системах заключается в том, что охлаждение обеспечивается каскадом из нескольких магнитных холодильных агрегатов, взаимосвязанных и тщательно сбалансированных.

В процессе работы многоступенчатой системы тепло намагниченности, выделяемое в охлаждающем блоке n, рассеивается блоком (n-1), и так далее по цепочке (от 300 K до 500 мK). Таким образом, конечная охлаждающая ступень никогда не выходит из-под воздействия магнитного поля, и, соответственно, может обеспечивать температуры около абсолютного нуля непрерывно на протяжении теоретически бесконечного времени.

В любом случае, все системы компании обеспечивают высокую температурную точность и стабильность за счет механизма прямого контроля температуры. Даже в многоступенчатом исполнении такие системы занимают минимум пространства и обладают минимальными требованиями к инфраструктуре.

Магнитные системы охлаждения kiutra доступны как в одиночном исполнении для периодического охлаждения, так и в многоступенчатом исполнении для непрерывного охлаждения. При необходимости можно модернизировать одиночную систему в многоступенчатую.

Квантовые вычисления в мире

В отличие от привычных компьютеров, которые оперируют битами с «нулями» и «единицами», квантовые вычислительные системы работают с кубитами, где к состояниям «1» и «0» добавляются их суперпозиции. Изменение одного кубита всегда влияет на состояние связанных с ним «соседей» — ученые называют этот эффект состоянием квантовой запутанности. Уникальность технологии обеспечивает невероятно высокую производительность и скорость квантовых вычислений.

Квантовые вычисления находят практическое применение во многих областях, где востребована высокая вычислительная скорость, но наиболее важным стратегическим направлением считается квантовая криптография, которая, к примеру, позволяет обеспечить связь без малейшего риска подслушивания или гарантировать кибербезопасность для интернета вещей.

В проекты квантовых вычислений активно инвестируют как правительства, так и частные корпорации. Так, в прошлом году Конгресс США принял закон о «национальной квантовой инициативе», по которому на квантовые технологии до 2023 года запланированы инвестиции в размере почти $1,3 млрд. Не отстает и Евросоюз, запустивший в прошлом году 10-летний проект Quantum Flagship стоимостью 1 млрд евро. Предполагается, что сумма будет распределена между 5 тыс. европейских ученых — исследователей квантовых технологий. Квантовыми технологиями активно интересуется Китай. В рамках проекта развития квантовых вычислений до 2030 года с упором на квантовую криптографию, правительство страны выделило $10 млрд на постройку Национальной лаборатории квантовой информатики. Ее открытие ожидается уже в 2020 году. Только за один 2018 год в Китае было выдано 517 патентов на изобретения в сфере квантовой криптографии и квантовых коммуникаций, и это вдвое больше, чем число патентов, выданных за тот же период в США, ЕС, Японии и Южной Корее вместе взятых.

Частный бизнес тоже участвует в гонке. Активное участие в развитии квантовых технологий принимает Microsoft. Компания, в частности, разрабатывает проект по предоставлению квантовых вычислений как сервиса. Больших успехов в квантовых технологиях добилась IBM, которая еще в 2017 году первой представила квантовый компьютер мощностью 50 кубит.

Согласно прогнозу аналитиков Markets and Markets Research, уже к 2023 году глобальный объем рынка квантовых вычислений достигнет $13,3 млрд, из них только на одну квантовую криптографию придется около $506 млн.

Квантовые компьютеры в России

В России ключевым центром развития квантовых технологий является «Квантовый консорциум», созданный в феврале 2018 года на базе структурного подразделения МГУ — Центра квантовых технологий на физическом факультете. Консорциум, в который входят Внешэкономбанк, ФПИ, «ВЭБ-инновации», МГУ и АНО «Цифровая экономика», «Криптософт», «Инфотекс», СПбГУ, Росатом и другие российские компании и подразделения РАН, реализует программу развития отрасли по трем основным направлениям – квантовая криптография, квантовые вычисления и квантовое моделирование. В 2018 году участниками консорциума в ходе Российского инвестиционного форума подписано соглашение о создании российского оптического квантового симулятора производительностью не менее 50 кубитов. Сейчас на работу «Квантового консорциума» ежегодно выделяется 350-450 млн рублей как в виде субсидий, так и за счет частного финансирования. Ожидается, что участие частного капитала в проекте достигнет 88% уже к 2021 году.

Еще один крупнейший игрок российского рынка квантовых вычислений — «Российский квантовый центр».  За время своей работы с 2011 года центр получил более 1,5 млрд рублей инвестиций. Ключевой разработкой центра является технология защищенной связи между банковскими офисами с квантовой защитой. Недавно центр совместно с Газпромбанком, Сбербанком и PwC продемонстрировал первую межкорпоративную квантовую сеть. Кроме того, в центре также разработана уникальная система квантовой криптографии для электромобилей. Еще в 2017 году центр сообщил об успешной разработке первой в мире технологии квантового блокчейна.

Group 40Group 44Group 43Group 46Group 41Group 27Group 42Group 39