Циклический квантовый тепловой мотор
В Финляндии, в Университете Аалто, исследователи впервые создали циклический квантовый тепловой двигатель, который помещается внутри сверхпроводящего чипа и по размеру уступает песчинке. Работа устройства происходит при температурах, близких к абсолютному нулю, а в качестве рабочего элемента используется трансмонный кубит. Результаты этой работы были представлены в журнале Nature Communications. Эксперимент доказал, что управление теплом внутри микросхемы квантового процессора вполне реально.
Руководил проектом профессор Академии Микко Мьёттёнен. Основу двигателя составляет трансмонный кубит, соединённый с резонатором и квантовым холодильником. Такая конструкция позволяет проходить циклы нагрева, охлаждения и преобразования энергии по циклу Отто. Учёные провели до трёх последовательных циклов работы двигателя, замерив мощность и эффективность, которые совпали с данными компьютерного моделирования. Это первый случай, когда циклический квантовый тепловой двигатель на сверхпроводящих схемах был продемонстрирован экспериментально.
Почему это важно
Ранее квантовые тепловые двигатели уже показывали на других платформах — например, на ионных ловушках, атомных газах, ядерных спинах и дефектах в алмазах. Один из участников исследования, Туомас Уусиняки, отметил:
“В нашем опыте мы собрали тепловой двигатель нанометрового размера из сверхпроводниковых цепей и запустили его в криостате при температурах, близких к абсолютному нулю. В основе лежит трансмонный кубит — один из ключевых компонентов современных квантовых технологий.”
Он также подчеркнул: “Наш квантовый холодильник можно при необходимости настроить как на нагрев, так и на охлаждение кубита. С помощью точно рассчитанных управляющих импульсов мы запускали двигатель по циклу Отто и следили за состоянием кубита в процессе работы.” Уусиняки добавил: “Это первое экспериментальное подтверждение работы циклического квантового теплового двигателя на сверхпроводниковых схемах. Использование одного управляемого квантового холодильника и в роли горячей, и в роли холодной среды делает конструкцию проще и гибче.”
Сейчас учёные работают над полностью автономной версией этого квантового двигателя, что может серьёзно повлиять на будущее квантовых технологий. Для русскоязычной аудитории стоит отметить, что подобные разработки приближают создание компактных и энергоэффективных квантовых систем, которые в перспективе могут найти применение в вычислительной технике и энергетике.
Данное исследование имеет большое значение для продвижения квантовых технологий, так как показывает возможность интеграции квантовых элементов в миниатюрные и экономичные системы. Сверхпроводниковые схемы могут открыть новые пути в квантовых вычислениях и энергетике, что способно затронуть многие области — от информационных технологий до энергосистем. Создание автономных квантовых двигателей способно упростить внедрение сложных квантовых технологий в реальные приложения.
Важность новых достижений в области квантовых технологий становится всё более очевидной. Например, недавние исследования показывают, что учёные научились управлять временем в квантовых системах, что открывает новые горизонты для разработки квантовых устройств. Эти прорывы могут существенно повлиять на эффективность квантовых моторов, как тот, что был создан финскими исследователями.