Классические тепловые двигатели уже более двухсот лет лежат в основе промышленности, транспорта и энергетики. Однако перенести этот принцип в квантовый мир долгое время не удавалось. Теперь исследователи из Университета Аалто впервые продемонстрировали циклический квантовый тепловой двигатель, работающий внутри сверхпроводящей цепи. Разработка поможет создавать более совершенные квантовые компьютеры будущего.
Обычные тепловые двигатели превращают тепловую энергию в механическую работу. По этому принципу работают автомобильные двигатели, турбины электростанций и многие другие устройства. В новом эксперименте физики смогли реализовать аналогичный процесс в квантовом масштабе.
Основой установки стали сверхпроводящий трансмонный кубит — один из ключевых элементов современных квантовых компьютеров, микроволновый резонатор, а также квантовый криогенный холодильник. Вся система работала при температуре, близкой к абсолютному нулю, где проявляются квантовые эффекты.
Исследователи реализовали в сверхпроводящей цепи классический цикл Отто — впуск, сжатие, сгорание, выпуск — как в ДВС. Вместо двух отдельных источников тепла и холода ученые использовали один управляемый квантовый холодильник, который по команде мог как нагревать, так и охлаждать кубит — базовый элемент для хранения информации в квантовых компьютерах. С помощью точно синхронизированных управляющих импульсов исследователи запускали двигатель по полному циклу и наблюдали за изменением состояния кубита.
В результате устройство смогло преобразовать поток тепла в измеримую положительную работу.
Это первая экспериментальная демонстрация циклического квантового теплового двигателя в сверхпроводящих цепях
Авторы считают, что разработка может решить одну из главных инженерных проблем будущих квантовых компьютеров. Сегодня каждый сверхпроводящий кубит требует подключения большого количества микроволновых линий управления. Если создавать машины с сотнями тысяч физических кубитов, количество кабелей достигнет миллионов. По словам руководителя исследования профессора Микко Мёттёнена, каждый такой кабель стоит тысячи евро, усложняет конструкцию и создает дополнительные помехи.
Исследователи рассчитывают создать полностью автономный квантовый тепловой двигатель, который сможет выполнять часть операций непосредственно внутри криогенной установки. Это позволит отказаться от большого числа внешних кабелей и значительно упростит масштабирование квантовых компьютеров.
Работа-исследование выполнена в рамках национальной квантовой программы Финляндии. Согласно стратегии развития квантовых технологий страны до 2035 года, исследователи рассчитывают создать квантовый компьютер с тысячей логических кубитов. Для реализации такой системы потребуется несколько сотен тысяч физических кубитов.
Авторы считают, что разработанный квантовый тепловой двигатель может стать одним из важных элементов этой архитектуры. Помимо практического применения, эксперимент помогает лучше понять, как работают законы термодинамики в квантовом мире, где привычные представления о тепле, энергии и работе приобретают совершенно иной смысл.
Также недавно был создан новый миниатюрный датчик, который сделает квантовые компьютеры мощнее.