Дослідники з Університету Аалто (Фінляндія) створили перший у світі циклічний квантовий тепловий двигун усередині надпровідної схеми. Цей крихітний пристрій не лише розширює розуміння термодинаміки на квантовому рівні, але й прокладає шлях до технологій, необхідних для побудови квантових комп’ютерів із величезною кількістю кубітів.
Результати дослідження, проведеного під керівництвом професора Академії Мікко Мьоттьонена (Mikko Möttönen), були опубліковані в науковому журналі Nature Communications.
Звичайні теплові двигуни (наприклад, двигун внутрішнього згоряння в авто) перетворюють тепло на корисну механічну енергію, або роботу. Фінським фізикам вдалося відтворити цей класичний термодинамічний процес – так званий цикл Отто – всередині наноструктурованої надпровідної схеми в кріостаті за температури, близької до абсолютного нуля.
Серцем мініатюрного пристрою став трансмонний кубіт (один із базових елементів сучасних квантових процесорів), з’єднаний із резонатором та спеціальним квантовим рефрижератором.
«У нашому експерименті квантовий рефрижератор слугує одночасно і гарячим, і холодним середовищем для двигуна, що робить його конструкцію набагато простішою та універсальнішою», – пояснює Туомас Уусняккі (Tuomas Uusnäkki), перший автор дослідження. – «Ми можемо налаштовувати рефрижератор так, щоб він нагрівав або охолоджував кубіт за запитом. Використовуючи чітко розраховані за часом імпульси керування, на базі цього циклу Отто ми змусили двигун генерувати вимірювану позитивну роботу внаслідок мікроскопічної кількості тепла».
Це перша в історії успішна експериментальна демонстрація циклічного квантового теплового двигуна на надпровідних ланцюгах.
Зараз команда працює над покращенням конструкції, щоб створити повністю автономний тепловий двигун. Такий пристрій зможе виконувати критичні завдання, наприклад, зчитувати стан кубітів безпосередньо всередині кріогенної камери, позбавляючи потреби виводити мікрохвильові імпульси назовні – до кімнатної температури.
Впровадження автономних мікросхем здатне радикально знизити вартість та складність квантових комп’ютерів майбутнього. Це особливо критично на тлі планів Фінляндії щодо масштабування технологій.
«Стратегія розвитку квантових технологій Фінляндії передбачає створення квантового комп’ютера на 1000 логічних кубітів до 2035 року, що означає використання сотень тисяч фізичних кубітів», – зазначає професор Мікко Мьоттьонен. – «Реалізація цього з поточними технологіями вимагатиме мільйонів мікрохвильових кабелів, кожен із яких коштує тисячу євро. Ба більше, ці кабелі створюють шуми в системі. Використання автономних квантових теплових двигунів дозволить майже повністю відмовитися від цієї дорогої кабельної інфраструктури».
Експерименти проводилися на базі OtaNano – фінської національної дослідницької інфраструктури в галузі нано-, мікро- та квантових технологій. Проєкт отримав фінансову підтримку від Дослідницької ради Фінляндії та Фінського культурного фонду.
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI