Ερευνητές του Πανεπιστημίου Aalto παρουσίασαν το πρώτο κυκλικό υπεραγώγιμο κβαντικό θερμικό μοτέρ στον κόσμο, ένα επίτευγμα που θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη μεγαλύτερων και αποδοτικότερων κβαντικών υπολογιστών.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications και αποτελεί σημαντικό βήμα στην κατανόηση της κβαντικής θερμοδυναμικής.
Η έρευνα εξετάζει πώς οι νόμοι της θερμοδυναμικής λειτουργούν σε κβαντική κλίμακα, όπου κυριαρχούν φαινόμενα όπως η υπέρθεση και η διεμπλοκή. Η καλύτερη κατανόηση αυτών των μηχανισμών μπορεί να οδηγήσει τόσο σε νέες τεχνολογίες όσο και σε βαθύτερη γνώση της κλασικής φυσικής.
Ένας κινητήρας που λειτουργεί σχεδόν στο απόλυτο μηδέν
Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα qubit τύπου transmon, έναν συντονιστή και ένα κβαντικό ψυγείο. Το σύστημα λειτούργησε μέσα σε κρυοστάτη, σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Οι επιστήμονες δημιούργησαν έναν κύκλο Otto – τον ίδιο θερμοδυναμικό κύκλο που χρησιμοποιείται στους κινητήρες εσωτερικής καύσης – προσαρμοσμένο όμως σε κβαντικό κύκλωμα. Μέσω ειδικά σχεδιασμένων παλμών ελέγχου, κατάφεραν να ρυθμίζουν με ακρίβεια τη ροή θερμότητας στο qubit και να τη μετατρέπουν σε μετρήσιμο έργο.
Το κβαντικό ψυγείο παίζει διπλό ρόλο
Σε αντίθεση με τους συμβατικούς θερμικούς κινητήρες, οι οποίοι διαθέτουν ξεχωριστές θερμές και ψυχρές δεξαμενές, το συγκεκριμένο σύστημα χρησιμοποιεί ένα μόνο κβαντικό ψυγείο. Η ίδια διάταξη μπορεί, ανάλογα με τις ανάγκες, να θερμαίνει ή να ψύχει το qubit, απλοποιώντας σημαντικά τη λειτουργία του κινητήρα.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η θερμότητα που διέρχεται από το qubit παράγει θετικό έργο, αποδεικνύοντας πειραματικά ότι ένας υπεραγώγιμος κβαντικός θερμικός κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει με επιτυχία.
Πιο κοντά στους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος
Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα την ανάπτυξη ενός πλήρως αυτόνομου κβαντικού θερμικού κινητήρα, ο οποίος θα μπορεί να διαχειρίζεται λειτουργίες των qubits χωρίς τη χρήση πολύπλοκων μικροκυματικών καλωδίων.
Μια τέτοια τεχνολογία θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το κόστος και την πολυπλοκότητα των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, ένας υπολογιστής με χιλιάδες λογικά qubits θα απαιτούσε σήμερα εκατομμύρια καλώδια, τα οποία αυξάνουν τόσο το κόστος όσο και τον ηλεκτρονικό θόρυβο. Οι αυτόνομες κβαντικές διατάξεις θα μπορούσαν να εξαλείψουν σε μεγάλο βαθμό αυτή την ανάγκη, διευκολύνοντας την ανάπτυξη ισχυρότερων κβαντικών συστημάτων.