Zacznijmy od początku. Nowe urządzenie ma rozmiary mniejsze od ziarenka piasku i pracuje w temperaturze zaledwie ułamka stopnia powyżej zera absolutnego. W takich warunkach klasyczne prawa fizyki ustępują miejsca zjawiskom kwantowym, które pozwalają kontrolować energię w zupełnie inny sposób niż w tradycyjnych silnikach cieplnych wykorzystywanych w samochodach czy elektrowniach.
Czytaj też: Naukowcy odkryli nowy stan kwantowy. To całkowicie zmieni naturę elektroniki
Sercem eksperymentalnego układu jest kubit typu transmon, a więc jeden z najczęściej wykorzystywanych elementów współczesnych komputerów kwantowych. Jego zadaniem było wielokrotne przechodzenie przez kolejne etapy ogrzewania, chłodzenia oraz zamiany energii cieplnej na użyteczną pracę. W przeciwieństwie do klasycznych konstrukcji wymagających oddzielnych źródeł ciepła i zimna, Finowie zastosowali pojedynczą kwantową chłodziarkę, którą można było przełączać pomiędzy funkcją ogrzewania i chłodzenia kubitu.
Cały proces opiera się na kwantowej wersji cyklu Otto – tego samego, który stanowi podstawę działania silników spalinowych. Zamiast sprężanego gazu rolę czynnika roboczego pełnił jednak kubit, którego poziomy energetyczne były precyzyjnie zmieniane za pomocą impulsów sterujących. Dzięki temu urządzenie mogło wielokrotnie wykonywać pełny cykl pracy i w kontrolowany sposób zamieniać energię cieplną na pracę.
Aby potwierdzić skuteczność rozwiązania, członkowie zespołu badawczego przeprowadzili serię pojedynczych pomiarów stanu kubitu podczas kolejnych cykli działania silnika. Pozwoliło to dokładnie określić ilość pochłanianego ciepła i uzyskiwanej pracy, a także ocenić sprawność całego układu. Wyniki okazały się zgodne z wcześniejszymi modelami teoretycznymi i symulacjami komputerowymi, potwierdzając, że urządzenie rzeczywiście funkcjonuje jako pełnoprawny cykliczny silnik cieplny w skali kwantowej.
Choć ilość wytwarzanej energii jest znikoma, nie jest to najważniejszym aspektem eksperymentu. Chodziło bowiem o demonstrację działania nowego typu silnika, ale i kilka innych kwestii. Nadprzewodzące obwody należą obecnie do najbardziej perspektywicznych technologii wykorzystywanych w komputerach kwantowych, systemach komunikacji oraz czujnikach nowej generacji. Dotychczas jednak nie udało się zrealizować w nich w pełni cyklicznego kwantowego silnika cieplnego.
Czytaj też: Ten materiał kwantowy filtruje światło jak żaden inny. Fizycy wreszcie dostosowali go do ludzkich temperatur
Badacze podkreślają, że ich rozwiązanie może w przyszłości pomóc rozwiązać jeden z największych problemów współczesnych komputerów kwantowych: ogromną liczbę przewodów doprowadzających sygnały sterujące do procesorów pracujących w ekstremalnie niskich temperaturach. Każdy taki przewód zwiększa koszty budowy systemu, zajmuje cenną przestrzeń oraz wprowadza dodatkowe zakłócenia i ciepło, które negatywnie wpływają na stabilność kubitów.
W przyszłości naukowcy chcą opracować całkowicie autonomiczną wersję kwantowego silnika cieplnego, która mogłaby wykonywać część operacji bez konieczności komunikacji z elektroniką znajdującą się w temperaturze pokojowej. Jednym z możliwych zastosowań jest odczytywanie stanu kubitów bez wykorzystania zewnętrznych sygnałów mikrofalowych. Takie rozwiązanie mogłoby znacząco ograniczyć liczbę przewodów wymaganych do obsługi dużych procesorów kwantowych.
Źródło: Nature Communications
