Jest mniejszy od ziarenka piasku. Działa w temperaturach bliskich zera absolutnego. I wykonuje pożyteczną pracę.
Brzmi niewiarygodnie, dopóki nie uświadomisz sobie, że oglądasz maszynę kwantową bawiącą się fizyką.
Naukowcy z Uniwersytetu Aalto (Finlandia) stworzyli prawdopodobnie najbardziej niezwykły silnik cieplny w historii. Jest to cykliczny kwantowy silnik cieplny zbudowany w oparciu o obwody nadprzewodzące. Zamiast tłoków i eksplozji wykorzystuje pojedynczy kubit – podstawową jednostkę informacji kwantowej – do pompowania ciepła, pracując jak mikroskopijny hydraulik.
Badanie prowadzone pod kierunkiem profesora akademickiego Mikko Mottonena i opublikowane w czasopiśmie Nature Communications robi dokładnie to, czego można się spodziewać i nie jest przewidywalne.
Konfiguracja: jedna maszyna, dwie role
Rozumiemy terminologię. Czy znasz cykl Otto? Jest to termodynamiczna podstawa silnika samochodu. Ciepło. Rozszerzenie. Chłodzenie. Kompresja.
W tym eksperymencie kubit przechodzi dokładnie te etapy.
“Żelazo”? Kubit transmonowy z przestrajalnym strumieniem podłączony do rezonatora. I tu jest wielka zmiana: nie ma gorącego zbiornika ani zimnej kąpieli. Zamiast tego używana jest lodówka z łańcuchem kwantowym. Jedno urządzenie. Może pełnić zarówno funkcję gorącego źródła, jak i zimnego drenażu. Zmienia swoją rolę na żądanie, kontrolując impulsy mikrofalowe.
Tuomas Uusnäkki, pierwszy autor badania, ujmuje to prosto:
“Zbudowaliśmy ciepło w nanoskali… działające w kriostacie. W jego rdzeniu znajduje się kubit transmonowy… jeden z podstawowych elementów składowych.”
Tylko? Tak?
Nie bardzo. Ale to działa. Zespół zaczął od kubitu w równowadze termicznej. Dawali impulsy. Podgrzałem to. Ochłodzony. Zmieniony poziom energii. Uruchomili silnik przez trzy kolejne cykle i zmierzyli każdy dżul zmiany.
Wynik? Pozytywny wynik pracy. Nie jest to tylko ciepło przemieszczające się tam i z powrotem, ale rzeczywista użyteczna energia przetworzona na podstawie gradientu termicznego. Skuteczność była zgodna z symulacjami. Żadnych fantomów. Fizyka po prostu robi to, co jej każą, nawet w skali mikroskopowej.
Dlaczego nadprzewodniki zmieniają zasady gry
Istnieją silniki cieplne z uwięzionymi jonami. Gazy nuklearne? Tak. Wady diamentów? Z pewnością. To fajne zabawki laboratoryjne.
Ale obwody nadprzewodzące? Jest to standard branżowy. IBM, Google i Intel stawiają na nadprzewodniki, aby stworzyć pełnoprawne komputery kwantowe.
Po raz pierwszy na tej konkretnej platformie zademonstrowano cykliczny kwantowy silnik cieplny. I to jest ważne.
Nie dlatego, że silnik generuje prąd dla Twojego domu. Wytwarza mniej energii niż komar siedzący na ścianie. O to właśnie chodzi.
To kwestia sterowalności. Możliwość traktowania ciepła i działania jako wymiennych dźwigni w tym samym okablowaniu, co w bramkach logicznych. To dowodzi, że chaotyczne, termiczne środowisko obliczeń kwantowych nie musi być błędem. Może to być zaleta (cecha).
Koszmar z kablami
Tutaj leży prawdziwa wartość. Spójrz na dowolny prototyp współczesnego komputera kwantowego. Lodówka pełna blach, migających świateł i kabli. Tysiące.
Kable mikrofalowe biegną od elektroniki sterującej temperaturą w pomieszczeniu do procesora chłodzonego w milikelwinach. Każdy kabel kosztuje. Zajmuje przestrzeń fizyczną w i tak już zatłoczonym kriostacie rozcieńczającym. A co najważniejsze: każdy z nich przepuszcza ciepło i hałas.
Ciepło jest wrogiem spójności. Hałas powoduje dekoherencję. Oba zabijają kubit.
Zespół Aalto sugeruje, że autonomiczne urządzenia kwantowe, takie jak ten silnik, mogłyby rozwiązać ten problem z infrastrukturą. Wyobraź sobie, że możesz odczytać stan kubitu lub manipulować gradientami termicznymi w łańcuchu chłodniczym. Nie potrzebujesz zewnętrznego kabla. Nie musisz wysyłać sygnału do temperatury pokojowej i z powrotem.
“Fińska strategia dotycząca technologii kwantowej zakłada utworzenie 1000 kubitów logicznych do 2023 r. Oznacza to setki tysięcy kubitów fizycznych… i miliony kabli. Kable powodują hałas. Urządzenia autonomiczne w dużej mierze wyeliminują tę potrzebę “, mówi Mottonen.
Miliony kabli, każdy kosztujący tysiące euro, to kosztowny problem dla całego obiektu. Liniowe skalowanie komputerów kwantowych za pomocą okablowania to nie tylko skomplikowana inżynieria. To geometryczny koszmar.
Poza dowodem
Natychmiastowym rezultatem jest weryfikacja koncepcji. Silnik w nanoskali brzęczący w ciemności, blisko końca skali temperatur Wszechświata.
Ale następny krok? Zrób to autonomicznie. W pełni samoregulujący. Podłącz go bezpośrednio do procesora kwantowego, aby obsługiwać obciążenia termiczne lub zadania odczytu bez interwencji człowieka lub zewnętrznych linii sterujących.
Jeśli to zadziała, moglibyśmy uznać dzisiejsze systemy okablowania za kłopotliwe i absurdalne, jak próba zasilania laptopa z generatora diesla w korytarzu.
Prace prowadzono z wykorzystaniem infrastruktury badawczej OtaNano w Finlandii przy wsparciu Rady ds. Badań Fińskiej Fundacji Rozwoju Technologii. To skromna praca. Malutki. Cichy. Ale to zmienia matematykę.
