Je menší než zrnko písku. Funguje při teplotách blízkých absolutní nule. A dělá užitečnou práci.
Zní to neuvěřitelně, dokud si neuvědomíte, že sledujete, jak kvantový stroj hraje fyziku.
Vědci z Aalto University (Finsko) vytvořili možná nejneobvyklejší tepelný stroj v historii. Jedná se o cyklický kvantový tepelný motor postavený na bázi supravodivých obvodů. Namísto pístů a explozí používá k čerpání tepla jediný qubit – základní jednotku kvantové informace – funguje jako mikroskopický instalatér.
Studie vedená akademickým profesorem Mikko Mottonenem a publikovaná v časopise Nature Communications dělá přesně to, co byste očekávali, a nic, co by bylo předvídatelné.
Nastavení: Jeden stroj, dvě role
Pojďme pochopit terminologii. Znáte Ottoův cyklus? To je termodynamický základ motoru vašeho auta. Teplo. Rozšíření. Chlazení. Komprese.
Tento experiment provede qubit přesně těmito kroky.
“Železo”? Transmonový qubit s laditelným tokem připojený k rezonátoru. A tady je velký obrat: není zde žádná horká nádrž ani studená koupel. Místo toho se používá kvantová řetězová lednička. Jedno zařízení. Může fungovat jako horký pramen i jako studený odtok. Na požádání mění své role řízením mikrovlnných impulsů.
Tuomas Uusnäkki, první autor studie, to říká jednoduše:
“Vytvořili jsme teplo v nanoměřítku… běžící v kryostatu. Jeho jádrem je transmon qubit…jeden ze základních stavebních bloků.”
Jen? Ano?
Vlastně ne. Ale funguje to. Tým začal s qubitem v tepelné rovnováze. Dávali impulsy. Zahřál to. Vychladlé. Změněná hladina energie. Nechali motor běžet tři po sobě jdoucí cykly a měřili každý joul změny.
Výsledek? Pozitivní pracovní výstup. Nejde jen o teplo pohybující se tam a zpět, ale o skutečnou užitečnou energii přeměněnou z tepelného gradientu. Účinnost odpovídala simulacím. Žádné fantomy. Fyzika prostě dělá to, co se říká, dokonce i v mikroskopickém měřítku.
Proč supravodiče mění hru
Tepelné motory se zachycenými ionty existují. Jaderné plyny? Ano. Vady diamantů? Jistě. Jsou to skvělé laboratorní hračky.
Ale supravodivé obvody? Toto je průmyslový standard. IBM, Google, Intel sází na supravodiče, aby vytvořily plnohodnotné kvantové počítače.
Toto je poprvé, co byl na této konkrétní platformě demonstrován cyklický kvantový tepelný motor. A to je důležité.
Ne proto, že motor vyrábí elektřinu pro váš domov. Vyrábí méně energie než komár sedící na zdi. To je podstata.
Je to otázka ovladatelnosti. Schopnost zacházet s teplem a provozem jako zaměnitelné páky v rámci stejného zapojení používaného pro logická hradla. To dokazuje, že chaotické, tepelné prostředí kvantových počítačů nemusí být chyba. Může to být výhoda (vlastnost).
Kabelová noční můra
Tady leží skutečná hodnota. Podívejte se na jakýkoli moderní prototyp kvantového počítače. Lednice plná plechů, blikajících světel a kabelů. tisíce.
Mikrovlnné kabely vedou od elektroniky pro regulaci pokojové teploty k procesoru chlazenému v milikelvinech. Každý kabel stojí peníze. Zabírá fyzický prostor v již tak přeplněném ředícím kryostatu. A co je nejdůležitější: každý z nich propouští teplo a hluk.
Teplo je nepřítelem soudržnosti. Hluk způsobuje dekoherenci. Obojí zabije qubita.
Tým Aalto navrhuje, že autonomní kvantová zařízení, jako je tento motor, by mohla vyřešit tento problém s infrastrukturou. Představte si, že byste mohli číst stav qubitu nebo manipulovat s tepelnými gradienty uvnitř chladícího řetězce. Nepotřebujete externí kabel. Nemusíte posílat signál na pokojovou teplotu a zpět.
„Strategie finské kvantové technologie vyžaduje 1 000 logických qubitů do roku 2023. To znamená stovky tisíc fyzických qubitů… a miliony kabelů. Kabely vytvářejí šum. Autonomní zařízení tuto potřebu do značné míry eliminují,“ říká Mottonen.
Miliony kabelů, z nichž každý stojí tisíce eur, jsou nákladným problémem pro celý areál. Lineární škálování kvantových počítačů pomocí kabeláže není jen složité inženýrství. Tohle je geometrická noční můra.
Za důkazem
Okamžitý výsledek je důkazem konceptu. Motor v nanoměřítku hučící ve tmě, blízko konce teplotní stupnice vesmíru.
Ale další krok? Udělejte to autonomní. Plně samoregulační. Připojte jej přímo ke kvantovému procesoru, abyste zvládli tepelnou zátěž nebo úlohy čtení bez lidského zásahu nebo externích řídicích linek.
Pokud to funguje, mohli bychom se na dnešní elektroinstalační systémy dívat jako na těžkopádné a absurdní, jako když se snažíme napájet notebook z dieselového generátoru na chodbě.
Práce byla provedena pomocí výzkumné infrastruktury OtaNano ve Finsku a byla podporována Radou pro výzkum finské nadace technologického rozvoje. Je to skromná práce. Maličký. Klid. Ale mění to matematiku.
