Разработан первый в мире сверхпроводящий квантовый тепловой двигатель

Физики все больше увлекаются идеей объединения классической термодинамики с квантовой механикой. Квантовая механика описывает поведение частиц на мельчайших масштабах — меньше атома, — в то время как термодинамика изучает большие системы, от молекул до всей Вселенной. Как странные квантовые явления, такие как туннелирование, квантовая запутанность и суперпозиция, сочетаются с привычными тепловыми двигателями, которые положили начало промышленной революции?

Тепловые двигатели, такие как знаменитый паровой двигатель Джеймса Уатта, преобразуют тепло в полезную энергию, в работу. Они приводят в движение наши автомобили, корабли и самолеты, а тепловые двигатели используются на большинстве электростанций для выработки электроэнергии. Теперь создан первый в мире сверхпроводящий квантовый тепловой двигатель: крошечное устройство, состоящее из трансмонного кубита, резонатора и квантового холодильника.

Сверхпроводящий двигатель использует ничтожно малое количество тепла, возникающее в ультрахолодных квантовых условиях, для циклического совершения полезной работы — долгожданной цели для квантовых инженеров. Это устройство является убедительным доказательством работоспособности сверхпроводящих тепловых двигателей, которые могут быть использованы для разработки усовершенствованных технологий для квантовых компьютеров.

Команда исследователей университета Аалто создала цикл Отто — термодинамический процесс, который, помимо прочего, обеспечивает работу автомобильных двигателей, — внутри сверхпроводящего контура.

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

Подключив трансмонный кубит к квантовому контуру, команда смогла управлять потоком тепла на квантовом уровне и показать, что его можно преобразовать в измеримую работу. В отличие от обычного теплового двигателя, в котором используются отдельные источники тепла и холода, квантовый тепловой двигатель использует квантовый контур для получения как тепла, так и холода.

‘Наш квантовый контур можно настроить так, чтобы он нагревал и охлаждал кубит по требованию. С помощью тщательно выверенных управляющих импульсов мы приводили двигатель в действие по циклу Отто и отслеживали состояние кубита во время работы двигателя», — объясняет Ууснякки.

Исследователи увидели, что тепло, проходящее через кубит в ходе цикла, совершает положительную работу.