Квантовые компьютеры обещают вычислительные чудеса, но их главный козырь одновременно остаётся их слабостью. Квантовые биты — кубиты — способны выполнять операции, недоступные классическим схемам, однако они катастрофически чувствительны к любым помехам. Лёгкая вибрация, случайный фотон или микроскопическое колебание температуры — и информация исчезает. Кажется логичным бороться с шумом до последнего. Но исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции пошли против интуиции: вместо того чтобы подавлять шум, они научились использовать его себе на пользу.
В статье, опубликованной в Nature Communications, команда Чалмерса представила устройство, которое они назвали минимальным квантовым холодильником. Его принцип радикально отличается от привычной криогенной защиты. Вместо экранирования кубитов от возмущений учёные применили управляемую случайность — точно настроенный микроволновый шум, который направляет тепловые потоки внутри сверхпроводящих схем.
Идея кажется парадоксальной: как может шум, традиционный враг квантовой когерентности, помогать стабилизации? Оказывается, если «спектр беспорядка» сформировать с нужной точностью, он начинает работать как инструмент управления, а не разрушения.
Как устроена технология
В центре эксперимента — сверхпроводящая «искусственная молекула». Она собрана не из атомов, а из электронных схем и по поведению напоминает настоящую молекулу: обменивается энергией через два микроволновых канала. Эти каналы играют роль горячего и холодного резервуаров.
Система состоит из пары связанных кубитов (транзмонных), соединённых микроволновыми волноводами. Когда исследователи подают контролируемый диапазон случайных флуктуаций через третий канал, шум запускает и регулирует теплоперенос между резервуарами. По сути, он работает как переключатель теплового потока.
Докторант Симон Сунделин, ведущий автор работы, называет этот подход «направленной диссипацией». Формируя спектр шума, команда смогла измерять и управлять тепловыми потоками порядка аттоватт — величин настолько малых, что их трудно даже вообразить. Для сравнения: чтобы таким потоком нагреть каплю воды всего на один градус Цельсия, потребовалось бы больше времени, чем существует Вселенная.
Что такое броуновское охлаждение и почему оно важно
Концепция, лежащая в основе устройства, уходит корнями в теорию броуновского охлаждения — идеи о том, что случайное движение при определённых условиях может приводить к направленному охлаждению. Долгое время это оставалось в основном теоретической конструкцией.
По словам Симоне Гаспаринетти, доцента квантовых технологий и научного руководителя проекта, разработка Чалмерса — самое полное экспериментальное воплощение этой идеи на сегодняшний день. Шум здесь перестаёт быть врагом и становится активным элементом термодинамического баланса на масштабах, где классические холодильные установки уже бессильны.
Почему проблема тепла не исчезает даже при –273 °C
Квантовые процессоры на сверхпроводящих схемах — такие, как у IBM или Google, — работают при температурах, близких к абсолютному нулю (около –273 °C). В этих условиях электроны движутся без сопротивления, а кубиты могут запутываться и выполнять квантовую логику.
Но даже почти полное отсутствие тепла не решает проблему полностью. В сложных архитектурах число источников шума и тепловых утечек растёт лавинообразно. Поэтому локальный контроль тепла становится ключевым фактором для масштабируемых квантовых машин. Эксперименты с отражёнными сигналами показывают, как с ростом шума разные режимы системы теряют когерентность — и это даёт прямой инструмент измерения скорости декогеренции.
Любопытно, что минимальный квантовый холодильник не ограничивается охлаждением. В зависимости от настройки резервуаров он может работать как тепловая машина или даже как усилитель. Такая универсальность особенно ценна для модульных квантовых процессоров, где управление диссипацией нужно распределять по всей схеме, а не перекладывать на одну внешнюю криосистему.
Соавтор исследования Аамир Али подчёркивает, что ключевое отличие подхода — в масштабе: регулирование тепла происходит «изнутри» самого квантового контура, а не только за счёт массивного внешнего охлаждения.
Работа шведских исследователей не снимает всех барьеров на пути к практическим квантовым компьютерам. Зато она меняет саму постановку одной из фундаментальных проблем. Шум больше не выглядит исключительно разрушительной силой. При грамотной инженерии он может стать частью решения — своеобразным союзником в борьбе за стабильность квантовых систем. Возможно, именно в этом и заключается следующий шаг квантовой технологии: не в полном подавлении хаоса, а в умении им управлять.
