Учёные нашли замену гелию для охлаждения вблизи абсолютного нуля — это обещает стать новым словом в науке и технике

Китайские физики нашли способ обойти гелиевую блокаду: новый материал для квантовых компьютеров работает при температурах ниже 1 Кельвина. Открытие группы учёных из Китайской академии наук и их французских коллег из Института Лауэ-Ланжевена может кардинально изменить расклад сил в гонке за квантовое превосходство. Речь идёт о необычном «квантово-магнитном» материале на основе кобальта, который проявляет свойства сверхтекучего твёрдого тела — явления, ранее считавшегося сугубо теоретическим.

Почему гелий стал слабым звеном

Современная криогенная техника, необходимая для работы квантовых процессоров и сверхчувствительных сенсоров, почти полностью зависит от жидкого гелия и его изотопов — гелия-3 и гелия-4. Китай импортирует 94% потребляемого гелия, что делает его уязвимым перед экспортными ограничениями. Под санкции попали не только сам газ, но и ключевое оборудование — рефрижераторы растворения, без которых невозможно достижение милликельвиновых температур. Осенью прошлого года компания Origin Quantum представила собственную версию такого рефрижератора для своего 72-кубитного компьютера Wukong, но он по-прежнему требует изотопов гелия. Новая разработка предлагает альтернативный путь.

Как работает «квантовый магнит» на основе кобальта

Международная группа исследователей обнаружила, что изучаемый ими материал на основе кобальта способен самостоятельно понижать температуру до уровня ниже 1 Кельвина. Однако есть важный нюанс: для запуска этого процесса систему сначала нужно охладить до 4 К с помощью традиционных гелиевых рефрижераторов. Полностью отказаться от гелия пока не получится, но эффективность финального этапа охлаждения — самого сложного и дорогого — можно радикально повысить. Именно на последних стадиях, при приближении к абсолютному нулю, требуются наибольшие энергетические затраты и самые сложные технические решения.

Прорыв в физике сверхтекучих твёрдых тел

Сверхтекучие твёрдые тела (supersolid) — это экзотическое состояние вещества, сочетающее свойства кристаллической решётки и сверхтекучей жидкости. До сих пор никто не пытался использовать этот эффект для практического охлаждения. Работа, опубликованная в престижном журнале Nature, впервые демонстрирует, что «квантовый магнит» на основе кобальта может служить рабочим телом криогенной установки. «Это исследование показывает, что теоретически мы можем достигать чрезвычайно низких температур, не полагаясь на гелий», — заявили авторы исследования.

Гелиевая зависимость Китая сформировалась не вчера. Основные мировые запасы гелия сосредоточены в США, Катаре и Алжире, причём США долгое время были монополистом на рынке гелия-3 — критически важного изотопа для квантовых компьютеров. Введение экспортных ограничений со стороны Вашингтона вынудило Пекин искать альтернативы. Параллельно с работой над кобальтовым материалом китайские компании осваивают производство собственных рефрижераторов растворения, но все они пока привязаны к гелию. Новый подход позволяет разорвать этот замкнутый круг: если технология на основе сверхтекучих твёрдых тел подтвердит свою масштабируемость, Китай сможет создавать криогенные системы с минимальным использованием импортного сырья.

Для глобального рынка квантовых вычислений это означает возможное ускорение темпов разработки. Пока американские и европейские лаборатории также ищут способы снизить зависимость от гелия (например, через использование адиабатического размагничивания), китайский подход предлагает принципиально иной физический механизм. Если кобальтовые «квантовые магниты» удастся интегрировать в коммерческие рефрижераторы, стоимость эксплуатации квантовых процессоров может снизиться на порядок, а геополитические риски — исчезнуть вовсе. Однако до промышленного внедрения предстоит решить ещё множество задач: от синтеза материала в промышленных объёмах до обеспечения стабильности его свойств при длительной работе.