Megépítették a világ első szupravezető kvantum-hőerőgépét

A hagyományos hőerőgépek – például a gőzgépek – hőt alakítanak hasznos munkává. A kutatók most ugyanezt az alapelvet ültették át a kvantumvilágba, ahol a hő és az energia mennyisége rendkívül kicsi, és olyan jelenségek is meghatározóvá válnak, mint a kvantum-alagúthatás, a szuperpozíció vagy az összefonódás.

A Nature Communications folyóiratban megjelent tanulmány szerint a rendszer egy transzmon qubitből, egy rezonátorból és egy kvantumáramköri hűtőből áll. Az egész szerkezetet abszolút nulla közeli hőmérsékleten működtették.

Autómotorok ciklusa a kvantumvilágban

A kutatók egy hagyományos Otto-ciklust valósítottak meg a szupravezető áramkörben. Ezt az elvet használják többek között a belső égésű motorok is. A kvantum-hőerőgépben azonban egyetlen, szabályozható kvantumhűtő szolgált egyszerre a „forró” és a „hideg” környezetként.

„Kísérletünkben nanotechnológiával előállított hőerőgépet építettünk szupravezető áramkörökből, és abszolút nulla közeli hőmérsékleten működtettük” – mondta Tuomas Uusnäkki, a kutatás első szerzője. A rendszerben a transzmon qubit jelentette a szerkezet központi elemét.

A hűtőt pontosan időzített vezérlőimpulzusokkal hangolták úgy, hogy szükség szerint melegítse vagy hűtse a qubitet. A mérések azt mutatták, hogy a ciklus során a qubiten áthaladó hő ténylegesen pozitív munkává alakult.

A kutatók szerint ez az első kísérleti bizonyíték arra, hogy ciklikus kvantum-hőerőgép szupravezető áramkörben is működtethető. A megoldás ráadásul egyszerűbbé és rugalmasabbá teheti a későbbi rendszereket.

Milliónyi kábel helyett önálló kvantumeszközök

A következő cél egy teljesen autonóm hőerőgép megépítése. Ennek egyik lehetséges alkalmazása a qubitek kiolvasása lehetne anélkül, hogy mikrohullámú jeleket kellene vezetni a millikelvines hőmérsékletű kvantumáramköröktől egészen szobahőmérsékletig.

Ez különösen fontos lehet a nagyméretű kvantumszámítógépeknél. Finnország kvantumtechnológiai stratégiája 2035-re ezer logikai qubites kvantumszámítógépet irányoz elő, ami a hibajavítás miatt akár több százezer fizikai qubitet is jelenthet.

Aalto professzora, Mikko Möttönen szerint a jelenlegi technológiával ehhez akár milliónyi mikrohullámú kábelre lenne szükség, amelyek darabonként több ezer euróba kerülhetnek, és zajt is juttathatnak a rendszerbe.

Az önálló, közvetlenül a szupravezető áramkörökbe integrált eszközök ezért egyszerre csökkenthetik a költségeket, a rendszer bonyolultságát és a zajterhelést. A mostani kísérlet így egy apró, abszolút nulla közeli környezetben működő hőerőgéppel tett fontos lépést a sokkal nagyobb, praktikus kvantumszámítógépek felé.