Финские физики создали чрезвычайно маленький тепловой двигатель внутри сверхпроводящего чипа, использовав в качестве его «рабочего тела» кубит — базовый элемент квантовых компьютеров. Исследование провела команда Университета Аалто под руководством профессора Академии Микко Мьоттонена. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
- Как работает двигатель на одном кубите
В обычном двигателе тепло заставляет двигаться механизм, который в конечном итоге выполняет работу. Финская разработка использует тот же фундаментальный принцип, однако на уровне квантовой механики.
В основе устройства лежит трансмонный кубит, соединенный с резонатором и квантовым холодильником. Кубит проходит последовательность из четырёх этапов, известную как цикл Отто:
- его нагревают;
- изменяют его энергетическое состояние;
- охлаждают;
- снова переводят в нужный энергетический режим.
Особенность эксперимента заключается в том, что один квантовый холодильник поочерёдно выполнял роль горячей и холодной среды. Точные управляющие импульсы позволяли исследователям изменять состояние кубита и контролировать движение энергии внутри системы.
«В его основе — трансмонный кубит, один из базовых элементов современных квантовых технологий», — рассказывает первый автор исследования Туомас Уусняки.
В ходе эксперимента команда провела несколько последовательных циклов и отслеживала состояние кубита после каждого этапа. Так исследователи смогли определить, сколько тепла он поглотил, какую работу выполнил и насколько эффективной была система.
Результат оказался важным: устройство действительно производило полезную работу, а не просто перемещало тепло между различными частями схемы. Полученные показатели мощности и эффективности совпали с компьютерными моделями.
«Это первая экспериментальная демонстрация циклического квантового теплового двигателя на сверхпроводящих схемах», — отмечает Уусняки.
- Зачем такой крошечный двигатель нужен квантовым компьютерам
Собственная мощность устройства ничтожна, поэтому создавать его ради обычного производства энергии нет смысла. Основной интерес для учёных связан с квантовыми технологиями.
Сверхпроводящие квантовые процессоры работают при температурах, близких к абсолютному нулю. Для их управления используются многочисленные микроволновые кабели, соединяющие чрезвычайно холодную часть установки с электроникой, находящейся при комнатной температуре.
Каждое такое соединение занимает место, усложняет систему и может передавать лишнее тепло или шум.
Если часть функций перенести непосредственно внутрь криогенной схемы, будущие квантовые компьютеры могут стать более компактными и простыми. Именно над созданием автономной версии квантового двигателя команда сейчас и работает.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:
- Зачем человечество убивает животных, а потом снова их создает: план спасения планеты
- Какой дух живет на Донбассе и как его увидеть своими глазами?
- И кто теперь слабый пол: почему мужчины могут исчезнуть в ближайшем будущем?