Výzkumníci z finské Aalto University demonstrovali cyklický kvantový tepelný stroj v supravodivém elektrickém obvodu. Jeho pracovním médiem byl transmonový qubit, tedy typ supravodivého kvantového prvku běžně používaný ve výzkumu kvantových počítačů. Zařízení během prvních cyklů vykazovalo kladný výkon i účinnost: část tepla, které do qubitu přiváděl řízený zdroj, se proměnila v práci. Podle studie zveřejněné v časopise Nature Communications jde o první experimentální realizaci cyklického kvantového tepelného stroje v supravodivých obvodech.
Tepelný stroj obecně převádí tok tepla na práci. V klasických motorech k tomu obvykle slouží oddělený horký a studený zdroj a pracovní látka, například plyn. V novém pokusu plnil úlohu pracovního systému jednotlivý qubit. Vědci jeho energetické hladiny střídavě měnili magnetickým tokem a zároveň jej nechávali ochlazovat či zahřívat. Napodobili tak Ottoův cyklus, termodynamický postup známý mimo jiné ze spalovacích motorů.
Klíčovou součástí aparatury byla takzvaná quantum-circuit refrigerator neboli kvantová obvodová chladnička. Nejde o samostatnou chladničku v běžném slova smyslu, ale o nanoskopický prvek, jehož elektrické buzení umožňuje řídit výměnu energie s připojeným kvantovým obvodem. V experimentu zastal jediný tento prvek roli obou tepelných prostředí: podle nastavení qubit ochlazoval, nebo naopak zahříval. To zjednodušilo uspořádání oproti tepelným strojům, které vyžadují dva fyzicky oddělené rezervoáry.
Cyklus sledovali po jednotlivých krocích
Vzorek obsahoval fluxově laditelný transmon, pomocný rezonátor propojující qubit s kvantovou chladničkou a další rezonátor určený pro odečet stavu qubitu. Celé zařízení pracovalo v ředicí chladničce při základní teplotě přibližně 40 milikelvinů, tedy 0,040 kelvinu nad absolutní nulou. Nejnižší přechodová frekvence použitého qubitu činila 4,047 gigahertzu. Tyto parametry nejsou výkonem motoru, ale popisují podmínky, v nichž lze supravodivý qubit provozovat a přesně měřit.
Autoři připravili qubit do počátečního tepelného stavu a následně mu sérií elektrických pulzů zadávali jednotlivé fáze cyklu: ochlazení, změnu frekvence, zahřátí a zpětnou změnu frekvence. Stav qubitu měřili jednotlivě po opakovaných bězích experimentu. Z naměřených obsazení energetických hladin pak dopočítali změny vnitřní energie, přijaté teplo a vykonanou práci. U tří po sobě jdoucích cyklů pozorovali kladný výstupní výkon a účinnost; výsledky odpovídaly numerickým simulacím otevřeného kvantového systému.
Článek zároveň vymezuje omezení současného zařízení. Výzkumníci experiment označují za počáteční demonstraci a uvádějí, že dosažený výkon i účinnost jsou zatím nízké a nemají přímé praktické použití. V prvních cyklech dosáhla účinnost více než čtvrtiny teoretické Ottoovy účinnosti pro dané nastavení. Autoři očekávají, že při ustáleném provozu by se podle jejich simulací mohla přiblížit odpovídajícímu Ottoovu režimu. To však není totéž jako hotový zdroj energie pro zařízení: práce se odehrává na úrovni jednotlivého qubitu a experiment vyžaduje externě načasované pulzy i kryogenní měřicí techniku.
Možné využití zůstává vzdálené
Práce se týká především kvantové termodynamiky, oboru zkoumajícího teplo, práci a energii v systémech, kde hrají roli kvantové vlastnosti. Supravodivé obvody umožňují přesně řídit jak energetické hladiny qubitu, tak jeho kontakt s okolím, a mohou proto sloužit k ověřování teoretických modelů. Dalším krokem by mohlo být studium kvantových koherencí, tedy stavů, v nichž kvantový systém současně zachovává více možných konfigurací, nebo zkoumání odchylek od ideálně pomalých změn v pracovním cyklu.
Tým zmiňuje i dlouhodobější technologickou možnost: autonomní tepelný stroj integrovaný přímo do supravodivého kvantového procesoru. Takový prvek by na rozdíl od nynějšího experimentu nevyžadoval externí řízení každého kroku pulzy a mohl by například pomáhat s lokálním odečtem qubitů. Současné supravodivé procesory jsou připojeny k elektronice při pokojové teplotě množstvím mikrovlnných vedení, která komplikují chlazení i škálování aparatury. Nová studie však ukazuje pouze řízený cyklický tepelný stroj; autonomní součástku pro kvantový počítač zatím nepředstavila.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.