Kvantdatorer har länge varit ett lovande men tekniskt utmanande område på grund av deras extrema kylbehov. Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola och University of Maryland utvecklat ett revolutionerande kvantkylskåp som kyler supraledande kvantbitar (qubits) till 22 millikelvin – en temperatur som inte bara är rekordlåg utan också möjliggör mer stabila och effektiva kvantberäkningar .
Genombrottet: Från 50 till 22 Millikelvin
Dagens kvantdatorer använder sig av utspädningskylskåp som kyler qubits till cirka 50 millikelvin över den absoluta nollpunkten (–273,15°C). Trots denna extrema kyla är qubits fortfarande känsliga för störningar som kan orsaka fel i beräkningar. Det nya kvantkylskåpet, baserat på supraledande kretsar, lyckades sänka temperaturen ytterligare till 22 millikelvin, vilket ökar sannolikheten för att qubits befinner sig i sitt grundtillstånd (värdet 0) från 99,8–99,92 % till 99,97 % .
”En sådan liten skillnad kan tyckas oviktig, men vid upprepade beräkningar leder det till en betydande prestandaförbättring,” förklarar Aamir Ali, forskningsledare vid Chalmers .
Teknisk Innovation: Autonom Kylning via Termiska Gradienter
Kvantkylskåpets design bygger på en tre-qubit-konfiguration:
- Målqubiten som ska kylas.
- En varm qubit kopplad till ett termiskt bad (5 K).
- En kall qutrit (en qubit med tre energinivåer) kopplad till den kallaste delen av kryostaten (~10 mK) .
Genom att utnyttja energiflöden mellan dessa komponenter överför systemet värme från målqubiten till den kalla qutriten, som sedan avger energin till omgivningen. Processen drivs autonomt av temperaturskillnader och kräver ingen extern kontroll .
Nyckelkomponenter
- Supraledande kretsar: Möjliggör effektiv energioverföring utan motstånd .
- Termiska bad: Simulerar naturliga värmekällor och sänker energin i systemet .
- Tredelad interaktion: En unik kvantmekanisk effekt där excitationer i målqubiten och den varma qubiten omvandlas till högre energinivåer i den kalla qutriten .
Praktiska Implikationer för Kvantteknik
1. Färre Fel, Snabbare Beräkningar
Genom att starta beräkningar från ett stabilt grundtillstånd minskar risken för fel dramatisk. Dessutom kan kvantdatorer initialiseras 70 gånger snabbare jämfört med traditionella metoder, vilket är avgörande för komplexa algoritmer .
2. Minskad Hårdvarubelastning
Autonom kylning minskar behovet av externa regleringssystem, vilket förenklar designen och ökar tillförlitligheten i storskaliga kvantdatorer .
3. Bredare Tillämpningar
Tekniken kan anpassas för andra kvanttermiska maskiner, som autonoma klockor eller kvantmotorer, vilket öppnar dörrar för innovation inom energi och kommunikation .
Utmaningar och Framtida Steg
Trots framgångarna kvarstår flera hinder:
- Skalning: Att kyla hundratals eller tusentals qubits samtidigt kräver ytterligare optimering .
- Integration: Kylskåpet måste anpassas till befintliga kvantdatorplattformar utan att störa deras prestanda .
- Energiförbrukning: Även om systemet är autonomt, kräver syntesen av termiska bad fortfarande extern energi .
Forskare planerar nu att testa tekniken i fler-qubitsystem och utvärdera dess långsiktiga stabilitet i samarbete med industrin .
Källor
- Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit
Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02708-5 . - Record cold quantum refrigerator paves way for reliable quantum computers
Chalmers University of Technology (2025). Länk . - Rekordkallt kylskåp kan ge pålitliga kvantdatorer
SE Nytt (2025). Länk . - Quantum Refrigerator Keeps Qubits Cool
Physical Review (2025). Länk . - Breakthrough in Cold Quantum Refrigeration Sets the Stage for Reliable Quantum Computing
Bioengineer.org (2025). Länk .
