Кубиты, созданные на основе джозефсоновского контакта, можно рассматривать как квантовые тепловые машины. Ученые из Бразилии смогли показать, что такой подход позволяет управлять динамикой образования и нарушения когерентных связей между элементами квантово-компьютерной цепи. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Квантовые компьютеры используют в своей работе многие необычные свойства квантового мира, такие как запутанность, туннелирование или суперпозицию состояний. Единичным элементом квантового компьютера является кубит, представляющий собой или зафиксированный в ионной ловушке ион, или кольцо из сверпроводника с джозефсоновским контактом, ток по которому может течь в одном из двух противоположных направлений. Согласно принципу Ландауэра, в любой вычислительной системе при стирании информации выделяется тепло. Поэтому и квантово-вычислительные системы могут рассматриваться как тепловые машины, в которых происходят процессы обмена энергии и изменения энтропии. Однако непонятно, от чего зависит КПД такой тепловой машины, и чем определяются ее тепловые потери.

K. Sachtleben et al./ Physical Review Letters, 2017

В своей работе физики из Бразилии исследовали энергетические изменения, происходящие при циклических процессах в простейшей квантово-вычислительной цепи из двух сверхпроводниковых кубитов. Моделью такой цепи является система из двух квантовых ям, между которыми возможно туннелирование. Ученые предложили рассмотреть систему как тепловую машину, в которой рабочим телом является идеальный квантовый газ, а рабочий объем ограничивается стенками квантовой ямы. Управлять энергией такой системы можно с помощью изменения ширины одной из квантовых ям. Этот процесс аналогичен совершению работы при изменения рабочего объема тепловой машины.

(a) Схема энергетических уровней в модельной системе из двух квантовых ям. Работа совершается за счет изменения ширины ямы. (b) Динамика изменения энергии уровней в такой системе при изменении ширины квантовой ямы. K. Sachtleben et al./ Physical Review Letters, 2017

Оказалось, что изменение энергии и выполнение работы в такой «тепловой машине» происходит по двум механизмам: первый связан непосредственно с заселенностью энергетических уровней, а второй относится к образованию и нарушению когерентных связей между квантовыми частицами в системе. При этом именно динамика процессов когеренции и декогеренции приводит в неадиабатических условиях к возникновению «трения», тепловым потерям и снижению КПД.

Отдельно физики изучили динамику изменения когерентности между двумя квантовыми частицами в неадиабатичесих условиях. Для этого они рассмотрели систему, в которой к основному периодическому колебанию стенки квантовой ямы, которое запускает работу «квантовой тепловой машины», был добавлен классический гауссовский шум. Оказалось, что это действительно приводит к экспоненциальному затуханию амплитуды когерентности, которая через 80 циклов работы не превышает уровень шума.

По словам ученых, приведенные ими оценки для энергетических потерь в процессе работы квантово-вычислительной цепи помогут создать системы для управления процессами образования и нарушения когерентной связи между квантовыми элементами. Это может оказаться важно, например, для молекулярных машин, в которых квантовая когерентность может повысить эффективность работы, как это происходит, например, в биологических системах, осуществляющих фотосинтез.

Термодинамика определяет работу и других квантовых систем, работа которых основана на использовании кубитов, например, именно термодинамические принципы приводят к ограничению точности работы квантовых часов.

Автор: Александр Дубов