На первый взгляд, это звучит как лабораторный эксперимент. Однако за этим открытием стоит важная цель — сделать квантовые компьютеры с тысячами кубитов более доступными и простыми в своём создании.
Финская команда учёных из Университета Аалто сообщила об этом на сайте nature. Они разработали первый в мире циклический тепловой двигатель, который работает на основе сверхпроводящей схемы. Этот двигатель превращает минимальное количество тепла от квантового холодильника в полезную работу.
Финляндия планирует создать квантовый компьютер с тысячей логических кубитов к 2035 году. Однако для этого потребуется гораздо больше физических кубитов — сотни тысяч. Каждый из них соединён с внешним оборудованием через миллионы микроволновых кабелей. По нынешним ценам один кабель стоит около тысячи евро, и в таких масштабах стоимость быстро растёт до астрономических сумм.
Учёных из Аалто заботила не только цена, но и шум, который создают кабели, мешая работе квантовой системы. Они задумались, можно ли обойтись без кабелей и создать автономные устройства, не требующие проводного подключения. Для этого нужно было создать квантовый тепловой двигатель.
Тепловые двигатели сыграли важную роль в промышленной революции, превращая тепло в энергию. Учёных давно интересовало, можно ли воспроизвести законы термодинамики на квантовом уровне, то есть на уровне отдельных частиц.
Команде под руководством Микко Мёттёнена, профессора квантовых технологий из Университета Аалто, это удалось. Они создали наноразмерный тепловой двигатель, работающий в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Внутри сверхпроводящей схемы они воспроизвели цикл Отто — термодинамический процесс, лежащий в основе работы автомобильного двигателя.
Чтобы проверить, способен ли двигатель выполнять полезную работу, учёные перевели кубит в квантовый холодильник и научились управлять потоком тепла на квантовом уровне.
Квантовый холодильник схемы можно настраивать так, чтобы он нагревал и охлаждал кубит по запросу. Используя точно рассчитанные импульсы, учёные запустили двигатель через цикл Отто и следили за состоянием кубита.
Создание квантового теплового двигателя открывает путь к полностью автономным устройствам. Они смогут, например, считывать состояние кубитов без использования микроволновых импульсов и работать в широком диапазоне температур.
Это не только снизит стоимость квантовых компьютеров, но и упростит их конструкцию.