Prvi superprovodni kvantni toplotni motor otvara put ka većim kvantnim kompjuterima

Nedavni napredak u razumevanju načina na koji se principi termodinamike primenjuju u kvantnom domenu mogao bi dati podsticaj kvantnoj tehnologiji, a jasnija slika kvantne termodinamike mogla bi unaprediti naše razumevanje klasične termodinamike.

Sad istraživači sa finskog Univerziteta Alto demonstriraju prvi ciklični kvantni toplotni motor u superprovodnom kolu.

Preporučujemo

Fizičari su sve više fascinirani idejom da bi se klasična termodinamika mogla kombinovati sa kvantnom mehanikom. Kvantna mehanika obuhvata ponašanje čestica u malim razmerama — manjim od atoma — dok se termodinamika bavi velikim sistemima, od molekula do čitavog univerzuma.

Kako se neobični kvantni fenomeni poput tunelovanja, sprezanja i superpozicije mešaju sa postojanom poznatošću toplotnih motora koji su pokrenuli Industrijsku revoluciju?

Toplotni motori, poput čuvene parne mašine Džejmsa Vata, pretvaraju toplotu u korisnu energiju, ili rad. Oni pokreću naše automobile, brodove i avione, i pomoću njih većina elektrana proizvodi struju.

Sad je napravljen prvi superprovodni kvantni toplotni motor: mali uređaj koji se sastoji od transmon kubita, rezonatora i kvantnog hladnjaka.

Superprovodna mašina je iskoristila malu količinu toplote pronađenu u ultrahladnim kvantnim uslovima da ciklično proizvodi pozitivan rad, što je odavno želja kvantnih inženjera. Uređaj predstavlja jaku potvrdu koncepta za superprovodne toplotne motore, koji bi se mogli upotrebiti u cilju razvoja unapređene tehnologije za kvantne kompjutere.

Inženjeri su kreirali Otov ciklus — termodinamički proces koji pokreće automobilske motore, pored ostalog — unutar superprovodnog kola.

„U našem eksperimentu smo napravili toplotni motor nanorazmera koristeći superprovodna kola i stavili ga u pogon u kriostatu blizu apsolutne nule. U njegovom središtu se nalazi transmon kubit, jedan od osnovnih gradivnih blokova modernih kvantnih tehnologija“, kažu naučnici.

Povezivanje transmon kubita sa hladnjakom u kvantnom kolu omogućilo je kontrolu protoka toplote na kvantnom nivou i pokazivanje da se može pretvoriti u merljiv rad. Za razliku od tipičnog toplotnog motora, koji koristi odvojene tople i hladne izvore, kvantni toplotni motor se oslanja na kvantni hladnjak koji obezbeđuje i toplotu i hladnoću.

„Naš hladnjak u kvantnom kolu može se podesiti da zagreva i hladi kubit. Pomoću pažljivo tempiranih kontrolnih pulseva pokretali smo motor u Otovom ciklusu i pratili stanje kubita dok je motor radio“, objašnjavaju inženjeri.

Istraživači su videli da toplota koja teče kroz kubit u ciklusu proizvodi pozitivan rad. Ovo je prva eksperimentalna demonstracija cikličnog kvantnog toplotnog motora u superprovodnim kolima. Korišćenje jednog kontrolisanog kvantnog hladnjaka kao toplog i hladnog okruženja motora obezbeđuje veću jednostavnost i mnogostranost.

Radi se na poboljšanju dizajna, sa ciljem stvaranja potpuno autonomnog toplotnog motora koji bi mogao da obavlja stvari poput čitanja kubita bez potrebe za dovođenjem mikrotalasnog pulsa od milikelvinske do sobne temperature. Autonomni motor u superprovodnom kolu mogao bi smanjiti cenu i kompleksnost računara sa velikim brojem kubita u budućnosti.

Finska strategija kvantne tehnologije predviđa kvantni računar sa hiljadu logičkih kubita do 2035. godine, što verovatno znači stotine hiljada fizičkih kubita. Postizanje toga sa trenutnom tehnologijom zahteva milione mikrotalasnih kablova od kojih svaki košta hiljade evra. Kablovi takođe unose šum u sistem. Korišćenje autonomnih uređaja bi uglavnom eliminisalo potrebu za tim kablovima, kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/Phys.org)