Об этом сообщила пресс-служба Университета Аалто.
Квантовый аналог теплового двигателя
Это не двигатель, который крутит вал и даёт механическую мощность, а квантовая (микроскопическая) термодинамическая машина на уровне отдельных квантовых систем (атомов, спинов, сверхпроводящих кубитов), которая преобразует энергию в полезную работу либо реализует обратный процесс (как холодильник). То есть, выходом является не крутящий момент двигателя, а изменение состояния кубита, накопление энергии в резонаторе или управляемый перенос тепла.Квантовый аналог теплового двигателя работает по тем же базовым принципам, что и классический тепловой двигатель, преобразуя тепло в полезную работу за счет разницы температур. Но рабочее тело машины и процессы подчиняются законам квантовой механики.
В обычном тепловом двигателе рабочее тело - это, например, бензин в цилиндре: его нагревают, он расширяется и толкает поршень. В квантовом аналоге много отличий. Рабочее тело - это квантовая система: одиночный кубит, атом, ион, квантовый гармонический осциллятор или небольшая цепочка связанных элементов. Уровни энергии квантовой системы не непрерывны, а разделены промежутками. Работа и тепло в таком двигателе - это переходы между уровнями и изменение населённостей этих уровней.
Кроме того, квантовые эффекты, такие как суперпозиция, запутанность или когерентность могут влиять на эффективность и режим работы, чего нет в обычных тепловых двигателях.
Исследование работы квантового теплового двигателя
По словам научного сотрудника университета Т. Ууснякки, впервые удалось показать циклический режим работы квантового теплового двигателя на сверхпроводниках. При этом устройство построено на базе всего одного квантового «холодильника», что заметно упростило его конструкцию и расширило круг возможных применений.Исследователи отмечают, что в последние годы в мире активно создаются квантовые устройства для переноса тепла внутри квантовых систем. Их внедрение позволит значительно упростить и улучшить охлаждение квантовых компьютеров, повысить их устойчивость к случайным сбоям и открыть путь к сенсорам нового типа.
Ранее подобные тепловые двигатели удавалось реализовать на нескольких аппаратных платформах, однако полностью циклической работы достичь не получалось. Речь идет об аналоге цикла Отто, который в двигателях внутреннего сгорания включает последовательные стадии сжатия, воспламенения, расширения и охлаждения газов.
Группа профессора М. Меттенена из Университета Аалто впервые воссоздала этот цикл в квантовой системе. Установка объединяет кубит-трансмон - один из самых распространенных типов сверхпроводниковых ячеек памяти - и специальный квантовый «холодильник», образованный упорядоченными сверхпроводниковыми цепочками. Охлаждение холодильника происходит за счет туннелирования электронов.
Физикам удалось настроить взаимодействие между кубитом и холодильником таким образом, что последний мог и нагревать кубит, и отводить от него тепло. Управление процессом ведется с помощью импульсов микроволнового излучения. Такой подход в перспективе позволит размещать системы считывания данных на минимальном расстоянии от самих кубитов, что резко упростит архитектуру устройств и снизит уровень помех. По оценке авторов, это критически важно для создания квантовых компьютеров, насчитывающих многие сотни и тысячи кубитов.
Автор: А. Шевченко


































