Toplota i računar se ne mešaju dobro. Ako se računari pregreju, ne rade dobro ili se čak mogu srušiti. Ali šta je sa kvantnim kompjuterima budućnosti? Ovi uređaji visokih performansi su još osetljiviji na toplotu. To je zato što su njihove osnovne računarske jedinice — kvantni bitovi ili „kubiti“ — zasnovani na visoko osetljivim jedinicama, od kojih su neke pojedinačni atomi, a toplota može biti ključni faktor koji dovodi do interferencije.
Osnovna dilema: Da bi se dobila informacija o kubitu, njegovo kvantno stanje mora biti uništeno. Toplota koja se oslobađa u procesu može ometati osetljivi kvantni sistem. Sopstveno stvaranje toplote kvantnog računara moglo bi da postane problem, sumnjaju fizičari Volfgang Belcig (Univerzitet u Konstancu), Klemens Vinkelman (Institut Neel, Grenobl) i Juka Pekola (Univerzitet Aalto, Helsinki).
U eksperimentima, istraživači su sada dokumentovali toplotu generisanu superprovodnim kvantnim sistemima. Da bi to uradili, razvili su metod koji može da meri i prikaže temperaturnu krivu do milionitog dela sekunde u preciznosti tokom čitavog procesa čitanja jednog kubita. „To znači da pratimo proces kako se odvija“, kaže Volfgang Belcig. Metoda je nedavno objavljena u časopisu Nature Phisics.
Do sada su se istraživanja kvantnog računarstva fokusirala na osnove za pokretanje ovih računara visokih performansi: Mnoga istraživanja uglavnom uključuju spajanje kvantnih bitova i identifikaciju koji su materijalni sistemi optimalni za kubite. Malo je pažnje posvećeno stvaranju toplote: posebno u slučaju supravodljivih kubita konstruisanih korišćenjem navodno idealnog provodnog materijala, istraživači su često pretpostavljali da se toplota ne stvara ili da je ta količina zanemarljiva.
„To jednostavno nije tačno“, kaže Volfgang Belcig. „Ljudi često misle o kvantnim računarima kao o idealizovanim sistemima. Međutim, čak i kola supravodljivog kvantnog sistema proizvode toplotu.“ Koliko toplote, istraživači sada mogu precizno da izmere.
Metod merenja je razvijen za supravodljive kvantne sisteme. Ovi sistemi su zasnovani na supravodljivim kolima koja koriste „Josephsonove spojeve“ kao centralni elektronski element.
„Mi merimo temperaturu elektrona na osnovu provodljivosti takvih kontakata. Ovo samo po sebi nije ništa posebno: mnogi elektronski termometri se na neki način zasnivaju na merenju provodljivosti pomoću otpornika. Jedini problem je: koliko brzo možete da izvršite merenja ?“ Klemens Vinkelman objašnjava. Promene kvantnog stanja traju samo milioniti deo sekunde.
„Naš trik je da otpornik meri temperaturu unutar rezonatora — oscilacionog kola — koji proizvodi jak odziv na određenoj frekvenciji. Ovaj rezonator osciluje na 600 megaherca i može se vrlo brzo očitati“, objašnjava Vinkelman.
Svojim eksperimentalnim dokazima, istraživači žele da skrenu pažnju na termodinamičke procese kvantnog sistema. „Naša poruka svetu kvantnog računarstva je: Budite oprezni i pazite na stvaranje toplote. Možemo čak i da izmerimo tačnu količinu“, dodaje Vinkelman.
Ovo stvaranje toplote moglo bi postati posebno relevantno za skaliranje kvantnih sistema. Volfgang Belcig objašnjava: „Jedna od najvećih prednosti superprovodnih kubita je ta što su tako veliki, jer ih ova veličina čini lakim za izgradnju i kontrolu. S druge strane, ovo može biti nedostatak ako želite da stavite mnogo kubita na čip. Programeri treba da uzmu u obzir da će se kao rezultat proizvesti više toplote i da sistem treba da se adekvatno ohladi.“
