Физика вышла на новый уровень: микроскопическое устройство научили добывать энергию из холода

Исследователи из Университета Аалто создали первый циклический квантовый тепловой двигатель на базе сверхпроводящих цепей. Устройство, размер которого меньше песчинки, преобразует тепло в полезную работу при температурах, близких к абсолютному нулю. Работа демонстрирует возможность управления тепловыми процессами внутри квантовых схем, что в перспективе может упростить архитектуру мощных квантовых компьютеров, однако устройство пока представляет собой лабораторный прототип.

Принцип работы квантового двигателя

В основе устройства лежит трансмонный кубит — базовый элемент квантовой информации, способный хранить данные и управляться микроволновыми сигналами. В данной схеме кубит выступает в роли рабочего тела, которое циклически проходит через этапы нагрева, охлаждения и преобразования энергии.

Технически двигатель состоит из кубита с регулируемым магнитным потоком, резонатора и квантового криогенного холодильника. Исследователи использовали цикл Отто — термодинамический процесс, по которому работают обычные бензиновые двигатели. Разница в том, что вместо сжатия газа в цилиндре здесь происходит обмен микропорциями энергии в сверхпроводящей цепи при сверхнизких температурах.

Ключевой особенностью метода стало использование одного устройства-холодильника для обеих ролей. Вместо двух разных резервуаров (горячего и холодного) авторы настраивали один прибор так, чтобы он мог либо нагревать, либо охлаждать кубит в строго определенные моменты времени.

"Квантовый двигатель работает по тем же законам термодинамики, что и классический, но на масштабах, где доминирует квантовая механика. Использование одного управляемого холодильника вместо двух внешних резервуаров упрощает систему и делает её более гибкой", — подчеркнул учёный-физик Дмитрий Лапшин.

Методика проверки и эффективность

Для подтверждения того, что устройство работает именно как двигатель, а не просто перераспределяет тепло, команда провела серию однократных измерений (single-shot measurements). Это позволило отследить изменения состояния кубита в течение трех последовательных циклов.

Авторы рассчитывали объем поглощенного тепла, количество произведенной работы и общий КПД системы. Результаты измерений совпали с теоретическими симуляциями, что подтвердило: устройство генерирует положительную работу.

Данные таблицы показывают, что физика процесса соответствует классическому тепловому двигателю, но реализована на уровне отдельных квантовых объектов.

Зачем это нужно квантовым компьютерам

Объем работы, которую производит данный двигатель, крайне мал и не имеет прямого промышленного применения. Однако эксперимент доказывает, что тепло можно контролировать и преобразовывать непосредственно внутри тех же схем, из которых состоят квантовые процессоры.

Это критически важно для масштабирования систем. Современные квантовые компьютеры требуют тысяч коаксиальных кабелей, которые соединяют криостат с электроникой при комнатной температуре. Каждый такой кабель увеличивает стоимость, занимает место и приносит в систему лишний шум и тепло. Создание автономных устройств управления внутри криогенного контура позволит сократить количество внешних проводов, например, для считывания состояния кубитов без отправки сигнала наверх.

Что работа не доказывает

Несмотря на успешный запуск цикла, исследование имеет ряд ограничений. Во-первых, двигатель работает в строго контролируемых лабораторных условиях с использованием внешней системы управления. Он еще не является полностью автономным устройством.

Во-вторых, работа демонстрирует принцип возможности, но не предлагает готового инженерного решения для интеграции в существующие процессоры. Переход от одного кубита к системе из тысяч элементов потребует решения проблем с синхронизацией и теплоотводом на гораздо более масштабном уровне.

Итогом работы стало подтверждение того, что сверхпроводящие цепи могут функционировать как циклические тепловые машины. Это добавляет новый инструмент в арсенал разработчиков квантового "железа", но для реального упрощения архитектуры компьютеров потребуется создать полностью автономную версию устройства. Подробности исследования опубликованы в журнале Nature Communications.