В картине современной физики наметился любопытный поворот. Ученые всерьез задумались о том, как классические законы термодинамики — той самой науки, что описывает работу паровых машин и мощность электростанций, — ведут себя в мире квантовой механики. Результатом этих изысканий стало создание устройства, которое раньше существовало только в теоретических моделях. Исследователи из университета Аалто представили первый в мире циклический квантовый тепловой двигатель, выполненный на базе сверхпроводящих цепей. Этот крошечный агрегат способен преобразовывать тепло в полезную работу на масштабах, где правят бал квантовые эффекты.

 

Когда паровая машина встречается с квантовым миром

Термодинамика привыкла иметь дело с большими системами. От молекул газа до турбин целых электростанций. Квантовая механика, напротив, изучает поведение отдельных частиц, размеры которых меньше атома. Объединить эти две области — задача не из простых. Традиционный тепловой двигатель, будь то двигатель внутреннего сгорания или турбина, превращает тепло в механическую работу. Но что происходит, если попытаться повторить этот процесс в среде, где частицы могут находиться в двух состояниях одновременно или проходить сквозь барьеры?

Для создания такого устройства финские физики использовали сверхпроводящий контур. Работа проходила в условиях экстремального холода, когда температура приближается к абсолютному нулю. В центре конструкции расположился трансмонный кубит. Это один из фундаментальных элементов, на которых строятся современные квантовые компьютеры. Именно он стал той точкой, где тепло превращалось в полезное действие.

 

Устройство и принцип работы сверхпроводящего двигателя

В основе работы лежит цикл Отто. Тот самый термодинамический процесс, который десятилетиями использовался в автомобильных двигателях. Только теперь он перенесен на крошечный чип. Главная особенность разработки заключается в том, как управляется тепло внутри системы. Вместо привычного разделения на «горячий» и «холодный» источники здесь применяется квантовый холодильник цепей.

Этот компонент позволяет как нагревать кубит, так и охлаждать его по команде. Исследователи подавали на систему ные импульсы, заставляя двигатель работать циклично. В ходе эксперимента удалось зафиксировать, что тепло, проходящее через кубит, действительно создает положительную работу. Это важный шаг, доказывающий, что квантовые системы можно использовать для решения практических энергетических задач.

Результаты исследования подробно описаны в журнале Nature Communications. Работа под руководством профессора Микко Мёттёнена открывает путь к созданию новых типов квантовых устройств, которые могут управлять собственной температурой и энергопотреблением.

 

Преимущества нового подхода перед классикой

Использование единого управляемого квантового холодильника вместо двух разных тепловых резервуаров делает конструкцию проще и гибче. В классических тепловых машинах требуется строгая изоляция горячей и холодной зон, что в условиях сверхнизких температур технически сложно реализовать. В сверхпроводящем двигателе одно и то же устройство выполняет обе функции, меняя режим работы по сигналу управления.

Это достижение решает сразу несколько проблем, с которыми сталкиваются разработчики квантовой техники:

1. Упрощение архитектуры устройства за счет объединения тепловых контуров;
2. Возможность точной настройки температурных режимов на уровне отдельных кубитов;
3. Повышение стабильности работы квантовой системы при циклических нагрузках;
4. Создание основы для разработки полностью автономных квантовых систем.

Такой подход позволяет не только генерировать работу, но и эффективно отводить излишки тепла, которые в квантовых процессорах являются одним из главных врагов стабильности вычислений.

 

Проблема масштабирования квантовых компьютеров

Сегодня квантовые компьютеры остаются сложными и дорогими системами. Чтобы достичь заявленных показателей производительности, необходимо значительно увеличить количество кубитов. В Финляндии, согласно национальной стратегии в области квантовых технологий, планируют создать компьютер с тысячей логических кубитов к 2035 году. На практике это означает необходимость использования сотен тысяч физических кубитов.

Существующие технологии требуют прокладки огромного количества медных кабелей для подачи управляющих сигналов и считывания данных. Каждый такой кабель стоит дорого и вносит дополнительный шум, мешающий работе квантовых элементов. Переход на автономные системы, способные работать без постоянной связи с внешним миром через тысячи проводов, видится единственным выходом.

 

Автономность как ключ к будущему технологий

Следующим этапом для команды Микко Мёттёнена станет создание полностью автономного теплового двигателя. Такое устройство сможет выполнять задачи по считыванию состояния кубитов без необходимости передавать сигналы с комнатной температуры в криостат. Это радикально снизит стоимость и сложность сборки мощных квантовых систем.

Использование автономных устройств на сверхпроводящих цепях позволит решить следующие задачи:

• Снижение уровня тепловых шумов за счет отказа от большого количества вводимых в криостат кабелей;
• Уменьшение габаритов охлаждающего оборудования, которое сейчас занимает целые лаборатории;
• Повышение надежности системы, так как количество физических соединений будет минимизировано.

Если разработчикам удастся интегрировать такие двигатели непосредственно в квантовый процессор, это изменит саму концепцию построения вычислительных центров будущего.

 

Перспективы квантовой термодинамики

Успех с созданием циклического двигателя подтверждает, что законы термодинамики применимы к квантовым объектам, но проявляются они специфическим образом. Изучение того, как энергия перетекает и рассеивается на квантовом уровне, поможет не только строить более эффективные компьютеры, но и лучше понять фундаментальные процессы, происходящие в природе. Например, квантовая термодинамика может пролить свет на то, как живые организмы используют энергию на молекулярном уровне.

Пока что мы наблюдаем лишь первый экспериментальный образец. Устройство работает, но его КПД и мощность пока невелики по сравнению с теоретическими пределами. Тем не менее, сам факт того, что квантовый холодильник может выступать в роли полноценного теплового насоса в цикле Отто, дает мощный толчок для развития всей области.

Понимание того, как управлять теплом в сверхпроводящих цепях, со временем приведет к появлению более компактных и доступных квантовых систем. Это приблизит момент, когда сложные вычисления, требующие мощностей целых кластеров, станут доступными в формате небольших устройств. Работа финских ученых показывает, что будущее квантовых технологий зависит не только от количества кубитов, но и от умения эффективно управлять энергией на самом глубоком уровне материи.