Первый в мире сверхпроводящий квантовый тепловой двигатель может ускорить создание мощных квантовых компьютеров

Художественное изображение сверхпроводящего квантового теплового двигателя. Credit: Heikka Valja / Aalto University

Ученые из Университета Аалто впервые продемонстрировали циклический квантовый тепловой двигатель, созданный внутри сверхпроводящей цепи. Эта работа приближает нас к пониманию термодинамики в квантовом мире и может помочь в создании квантовых компьютеров с огромным числом кубитов.

Эксперимент соединяет две области физики, описывающие разные масштабы: квантовую механику, изучающую поведение материи на субатомном уровне, и термодинамику, которая описывает тепло и энергию в макроскопических системах. Исследователи задались вопросом: что происходит с привычными термодинамическими процессами, когда в игру вступают квантовые эффекты, такие как туннелирование, запутанность и суперпозиция?

Новый двигатель, работающий по циклу Отто, был создан на основе трансмонного кубита, резонатора и квантового холодильника. В условиях, близких к абсолютному нулю, устройство смогло многократно преобразовывать доступное тепло в полезную работу. Это первый случай, когда циклический квантовый тепловой двигатель был реализован в сверхпроводящих цепях.

«В нашем эксперименте мы создали нанофабрикованный тепловой двигатель с использованием сверхпроводящих цепей и запустили его в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю. В его основе лежит трансмонный кубит — один из базовых строительных блоков современных квантовых технологий», — говорит Туомас Уусняки, первый автор исследования.

Ключевой особенностью стало использование одного квантового холодильника, который может как нагревать, так и охлаждать кубит по требованию. Это упрощает конструкцию по сравнению с классическими двигателями, где требуются отдельные горячая и холодная среды. Измерения подтвердили, что тепло, проходящее через кубит, производит положительную работу.

Исследователи планируют улучшить конструкцию и создать полностью автономный тепловой двигатель. Такое устройство могло бы считывать состояние кубитов без необходимости передавать микроволновые импульсы от милликельвиновых температур к комнатным. Это критически важно для масштабирования квантовых компьютеров.

«Стратегия Финляндии в области квантовых технологий предполагает создание квантового компьютера с тысячей логических кубитов к 2035 году, что, вероятно, потребует сотен тысяч физических кубитов. При нынешних технологиях для этого нужны миллионы микроволновых кабелей, каждый из которых стоит тысячи евро. Кабели также вносят шум в систему. Использование автономных устройств позволило бы в значительной степени отказаться от этих кабелей», — поясняет академик Микко Мёттёнен.

Работа опубликована в журнале Nature Communications. Эксперимент проводился на базе национальной исследовательской инфраструктуры Финляндии OtaNano при поддержке Исследовательского совета Финляндии и Финского культурного фонда.