Nghiên cứu mới từ Phần Lan có thể dẫn đến máy tính lượng tử bền vững và mạnh mẽ hơn

Nghiên cứu từ một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật VTT của Phần Lan có thể mở đường cho các máy tính lượng tử bền vững và mạnh mẽ hơn. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một thiết bị giống như ống chân không cho phép làm mát theo cách hoàn toàn điện tử - một con đường có thể giúp giảm chi phí làm mát cho máy tính lượng tử làm lạnh bằng pha loãng xuống mười lần. Trong các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thiết kế của họ cho phép giảm nhiệt độ tới 40%.

Các máy tính lượng tử này chủ yếu sử dụng qubit transmon siêu dẫn để thực hiện công việc tính toán hữu ích và là qubit được lựa chọn cho các công ty dẫn đầu lượng tử như IBM, Google, Amazon và những công ty khác (nhưng không phải tất cả). Nhưng để các qubit siêu dẫn này hoạt động, chúng phải được làm mát gần với nhiệt độ không tuyệt đối của không gian (~ 1 Kelvin). Việc cần phải trộn lẫn các đồng vị heli khác nhau để đạt được nhiệt độ hoạt động lý tưởng này làm tăng thêm độ phức tạp.

Một trong những giới hạn cơ bản của bất kỳ tính toán cấp cao nào là khả năng làm mát - khả năng hút nhiệt được tạo ra bởi tính toán ra khỏi các mạch hoạt động. Giới hạn đặc biệt này có thể được nhìn thấy ở mọi nơi hiện nay - từ khó khăn trong việc làm mát CPU Zen 5 16 nhân đến các khối quạt và kim loại khổng lồ giúp GPU của chúng ta bơm khung hình, nhiệt là một trong những vấn đề kỹ thuật khó giải quyết nhất trong thế giới máy tính của ngày hôm nay và ngày mai.

Nhưng máy tính lượng tử thậm chí còn nhạy cảm hơn so với các thiết bị điện tử truyền thống - chúng dễ bị nhiễu bên ngoài hơn và dễ tính hơn đối với các loại nhiễu có thể làm sập các trạng thái qubit hữu ích, hoạt động của chúng. Vì vậy, các kỹ thuật mới cho phép làm mát đơn giản và hiệu quả hơn là rất cần thiết. Mặc dù một số tiến bộ trong các kỹ thuật làm mát mới đã đạt được (chẳng hạn như kỹ thuật AirJet của Frore), nhưng tất cả chúng hầu hết đều hoạt động theo cùng một cách: bằng cách dẫn một môi trường truyền nhiệt (chẳng hạn như nước hoặc không khí) ra khỏi nguồn nhiệt.

Nhưng các nhà khoa học Phần Lan tại VTT đang đi theo một con đường hoàn toàn khác: Họ đã phát triển một thiết bị thermionic tỏa nhiệt dưới dạng electron (dẫn hướng electron cần năng lượng, đó là lý do tại sao các thiết bị thermionic tận dụng lợi thế của hiệu ứng Peltier thường giới thiệu thêm một bước tiêu thụ năng lượng khác). Nhưng quan trọng, thiết bị này cho phép làm mát gần như đạt đến mức tối đa: các nhà nghiên cứu hy vọng có thể làm mát các thiết bị điện tử xuống phạm vi từ 1,5 K đến 0,1 K - quá đủ để làm cơ chế làm mát cơ bản cho máy tính "không tuyệt đối". Và kỹ thuật này sẽ nhỏ hơn, rẻ hơn và ít dễ xảy ra lỗi hơn từ cả quan điểm hậu cần và vận hành so với làm mát bằng chất lỏng.

“Công nghệ của chúng tôi có thể giúp ngành công nghiệp giảm quy mô tổng thể của hệ thống máy tính lượng tử,” Mika Prunnila tại Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật VTT của Phần Lan, ở Espoo cho biết.

Về cơ bản, nhiệt được gây ra bởi chuyển động nhanh và các va chạm giải phóng năng lượng sau đó giữa các hạt cơ bản. Máy tính lượng tử yêu cầu nhiệt độ gần như bằng không tuyệt đối vì một số lý do (một phần vì các mối nối siêu dẫn chỉ trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ đó, phản ánh các vật liệu siêu dẫn hiện có). Trong môi trường nhiệt độ không tuyệt đối, các hạt cơ bản bị giảm tốc độ xuống mức bò. Vì chúng di chuyển chậm hơn, nên có ít va chạm hơn, điều này dẫn đến ít nhiệt hơn và trạng thái máy tính đàn hồi hơn, đồng thời cũng dễ dàng quan sát và chiết xuất thông tin hữu ích hơn. Thật dễ dàng để xác định ông nội của bạn khi ông ấy đi xe Công thức 1, nhưng sẽ dễ dàng hơn nhiều đếm số sợi tóc trên đầu ông ấy khi bạn thay thế F1 bằng một chiếc máy kéo di chuyển chậm.

Tuy nhiên, một vấn đề với bộ làm mát thermionic là hoạt động của electron không phải là nguồn nhiệt cơ bản duy nhất. Các hạt khác, bán hạt và hạt giả cũng tương tác với nhau; và không hiếm trường hợp hiệu ứng làm mát đạt được thông qua việc tách electron