Автор admin 
Дослідники з Університету Аалто в Фінляндії створили перший циклічний квантовий тепловий двигун усередині надпровідникового чипа. Його «робочим тілом» слугує кубіт — базова одиниця квантової інформації, яку раз за разом проганяють через цикли нагрівання, охолодження та перетворення енергії.
Читайте также: Футуристична зброя. В США показали безпілотний ударний конвертоплан Thunder
Дослідження очолив професор Академії Мікко Мьоттонен, а результати опублікували в журналі Nature Communications.
Ідея, по суті, не нова. Звичайні теплові двигуни століттями переносять енергію між гарячим і холодним середовищем, щоб рухати автомобілі чи виробляти електрику на станціях. Фінський пристрій працює за тим самим принципом — але в мікроскопічному масштабі, де правила гри диктує квантова механіка.
У серці двигуна — трансмонний кубіт з можливістю налаштування, з’єднаний із резонатором і квантовим холодильником. Трансмони широко використовують у надпровідникових квантових комп’ютерах, адже вони можуть зберігати й обробляти квантову інформацію, керуючись мікрохвильовими сигналами.
Холодильник у цій системі виконував одразу дві протилежні функції. Замість окремих гарячого й холодного резервуарів, дослідники просто налаштовували один прилад то на нагрівання, то на охолодження кубіта. Потім у точно визначені моменти вони змінювали енергетичний рівень кубіта — і так завершували чотири стадії квантового циклу Отто.
Цикл Отто відомий переважно як термодинамічний процес, що лежить в основі бензинових двигунів. Але в цьому експерименті замість стисненого газу в циліндрі «робочою речовиною» був кубіт, що обмінювався мізерними порціями енергії всередині кріогенної схеми.
«У нашому експерименті ми побудували нанорозмірний тепловий двигун із надпровідникових схем і працювали з ним у кріостаті поблизу абсолютного нуля. У його основі — трансмонний кубіт, один із базових елементів сучасних квантових технологій», — розповідає перший автор дослідження Туомас Ууснякі.
Команда починала з кубіта в тепловому стані і прогонювала двигун до трьох послідовних циклів. Одиничні вимірювання дозволяли відстежувати зміни стану кубіта та обчислювати, скільки тепла він поглинув, скільки роботи виробив і наскільки ефективно працював.
Читайте также: Ухилитися від кулі. Прилад завбільшки з долоню розпізнає малярійних комарів за звуком крил
«Наш квантовий холодильник можна за потреби налаштувати і на нагрівання, і на охолодження кубіта. За допомогою точно розрахованих керуючих імпульсів ми запускали двигун за циклом Отто й спостерігали за станом кубіта під час роботи», — пояснює Ууснякі.
Вимірювання показали, що двигун справді виробляв корисну роботу, а не просто перерозподіляв тепло по схемі. Виміряні потужність та ефективність збіглися з результатами комп’ютерних симуляцій дослідників, що підтвердило — перед ними справжній циклічний тепловий двигун.
«Це перша експериментальна демонстрація циклічного квантового теплового двигуна на надпровідникових схемах. Використання одного керованого квантового холодильника і як гарячого, і як холодного середовища робить конструкцію простішою та гнучкішою», — каже Ууснякі.
Квантові теплові двигуни вже демонстрували раніше — на пастках з іонами, атомарних газах, ядерних спінах і дефектах у алмазах. Але надпровідникові схеми мають особливе значення, адже вони вже є однією з провідних платформ для квантових обчислень, зв’язку та сенсорики. Досі жоден експеримент не завершував повний цикл квантового теплового двигуна саме на цій технології.
Головна цінність відкриття — не в кількості виробленої роботи, яка надзвичайно мала. Значно важливіше те, що експеримент показав: тепло можна свідомо контролювати й перетворювати всередині тієї самої мікросхеми, з якої будують квантові процесори.
Ця здатність може стати особливо цінною в міру зростання квантових комп’ютерів. Сучасні надпровідникові машини залежать від величезної кількості мікрохвильових кабелів, які тягнуться від електроніки кімнатної температури до процесорів, охолоджених до частки градуса вище абсолютного нуля. Кожен такий кабель додає вартості, займає простір і може заносити в систему зайве тепло чи шум.
Тепер дослідники працюють над повністю автономною версією двигуна. Одне з можливих застосувань — зчитування стану кубіта без надсилання мікрохвильового сигналу від холодного процесора до кімнатної температури. Якщо перенести більше функцій керування безпосередньо в кріогенну схему, це може суттєво скоротити потребу в зовнішньому дротовому з’єднанні.
Читайте также: Дві години в повітрі на електриці й турбіні водночас. Гібридний літак уперше піднявся вище 9 кілометрів