Физики впервые создали квантовый аналог двигателя внутреннего сгорания
Об этом сообщает журнал Nature, где опубликована работа ученых из Университета Аалто в Финляндии. Команда собрала первый в мире циклический тепловой двигатель, который работает внутри сверхпроводящей схемы и превращает крошечное количество тепла от квантового холодильника в полезную работу.
Зачем вообще это нужно
Финляндия рассчитывает построить к 2035 году квантовый компьютер с тысячей логических кубитов — базовых элементов, которые хранят и обрабатывают квантовую информацию. Чтобы получить тысячу логических кубитов, физического «железа» нужно куда больше — счет пойдет на сотни тысяч физических кубитов, а каждый из них соединен с внешним оборудованием через микроволновые кабели. Таких кабелей потребуются миллионы, и по нынешним ценам один кабель стоит около тысячи евро — при таком масштабе счет быстро уходит в астрономические суммы.
Ученых из Аалто беспокоила не только цена, но и то, что вся эта кабельная инфраструктура вносит в квантовую систему лишний шум, мешающий ее работе. Возник вопрос — а нельзя ли обойтись вообще без кабелей? Ответ — строить автономные устройства на квантовом масштабе, которые в принципе не нуждаются в проводном подключении. Но чтобы создать такое автономное устройство, для начала нужно было построить квантовый тепловой двигатель.
Что такое тепловой двигатель и при чнм тут квантовая механика
Тепловые двигатели в свон время буквально сделали промышленную революцию — они превращают тепло в полезную энергию и работают буквально везде, от автомобилей и самолнтов до кораблей и электростанций. Учнных давно занимал вопрос — можно ли воспроизвести классическую термодинамику, законы, по которым работают такие двигатели, но уже на квантовом масштабе, то есть на уровне отдельных частиц. Команде под руководством Микко Мёттёнена, профессора квантовых технологий Университета Аалто, это удалось — двигатель собрали из трансмон-кубита (это разновидность сверхпроводящего кубита), резонатора и квантового холодильника.
«В нашем эксперименте мы построили наноразмерный тепловой двигатель с использованием сверхпроводящих схем и заставили его работать в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю», — рассказывает один из создателей устройства Туомас Ууснякки.
Внутри сверхпроводящей схемы команда воспроизвела цикл Отто — тот самый термодинамический процесс, который лежит в основе работы обычного автомобильного двигателя.
Шаг к полностью автономным устройствам
Чтобы проверить, способен ли двигатель выполнять измеримую работу, команда перевела кубит в квантовый холодильник схемы и научилась управлять потоком тепла на квантовом уровне. В отличие от привычных тепловых двигателей, здесь один и тот же квантовый холодильник служит и источником тепла, и источником холода — это делает конструкцию заметно проще, но при этом достаточно гибкой.
«Наш квантовый холодильник схемы можно настраивать так, чтобы он и нагревал, и охлаждал кубит по запросу. С помощью точно рассчитанных по времени управляющих импульсов мы прогнали двигатель через цикл Отто и следили за состоянием кубита во время его работы», — добавляет Ууснякки.
Сам факт, что квантовый тепловой двигатель удалось построить, открывает дорогу к полностью автономным устройствам следующего уровня — таким, которые смогут, например, считывать состояние кубитов без микроволновых импульсов, идущих от температур, близких к абсолютному нулю, до комнатной температуры.
Помимо экономии тысяч евро на микроволновых кабелях, такой автономный тепловой двигатель заодно снизит и общую сложность конструкции будущих квантовых компьютеров.
