668
Фізики Aalto University створили перший циклічний квантовий тепловий двигун, вбудований у надпровідне електричне коло. Пристрій працює за температур, близьких до абсолютного нуля, і здатний багаторазово перетворювати крихітну кількість теплової енергії на корисну роботу. Дослідники вважають, що подібні машини в майбутньому можуть виконувати практичні функції всередині великих квантових комп’ютерів.
Звичайний тепловий двигун використовує різницю температур для виконання роботи. Класичний приклад — парова машина, де тепло перетворюється на механічний рух. Той самий фундаментальний принцип лежить в основі великої кількості сучасних двигунів та енергетичних установок.
На квантовому масштабі ситуація складніша. До звичайної термодинаміки додаються тунелювання, суперпозиція, дискретні енергетичні рівні та інші ефекти, які не мають прямого аналога у повсякденних машинах.
Саме тому фізиків давно цікавить, чи можна побудувати справжній повторюваний термодинамічний цикл на рівні одного квантового електричного кола.
Двигун складається з кубіта, резонатора і квантового холодильника
Експериментальний пристрій поєднує transmon qubit, надпровідний резонатор і квантовий холодильник. Кубіт у цій системі виконує роль робочої речовини двигуна, стан якої можна керовано змінювати.
Ультрахолодне середовище потрібне не просто для самого експерименту. Саме за таких температур надпровідні кола зберігають необхідні квантові властивості й дозволяють точно контролювати передачу енергії.
Команда змогла організувати повторюваний цикл, у якому система отримувала теплову енергію, змінювала квантовий стан і віддавала позитивну роботу.
Ключовим є слово «циклічний». Окремі квантові процеси перетворення енергії демонстрували й раніше, але нова система повторює повний цикл подібно до справжнього двигуна.
Навіщо тепловий двигун квантовому комп’ютеру
Сьогодні надпровідні квантові процесори керуються великою кількістю зовнішньої електроніки та мікрохвильових кабелів. Кожен додатковий кубіт збільшує складність системи, теплове навантаження й кількість шуму.
Автори припускають, що майбутні автономні квантові теплові машини зможуть виконувати частину керування безпосередньо всередині кріогенного середовища. Це потенційно зменшить потребу у величезній кількості кабелів, що тягнуться від кімнатної температури до квантового процесора.
Поточний пристрій є доказом принципу, а не готовим компонентом комерційного квантового комп’ютера. Але він показує, що термодинамічні машини можна реалізувати в тій самій надпровідній платформі, на якій працює значна частина сучасних кубітів.
Джерело: ScienceDaily / Aalto University
