Тысяча логических кубитов. Финские физики создали квантовый двигатель размером меньше песчинки

Исследователи из Университета Аалто в Финляндии создали первый циклический квантовый тепловой двигатель внутри сверхпроводящего чипа. Его «рабочим телом» служит кубит — базовая единица квантовой информации, которую раз за разом проводят через циклы нагрева, охлаждения и преобразования энергии.

Исследование возглавил профессор Академии Микко Мьёттёнен, а результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Эта идея, по сути, не нова. Обычные тепловые двигатели веками переносят энергию между горячей и холодной средами, приводя в движение автомобили или вырабатывая электричество на электростанциях. Финское устройство работает по тому же принципу — но в микроскопическом масштабе, где правила игры диктует квантовая механика.

В основе двигателя лежит перестраиваемый трансмонный кубит, соединенный с резонатором и квантовым холодильником. Трансмоны широко используются в сверхпроводниковых квантовых компьютерах, поскольку они способны хранить и обрабатывать квантовую информацию под воздействием микроволновых сигналов.

В этой системе холодильник выполнял сразу две противоположные функции. Вместо отдельных горячего и холодного резервуаров исследователи просто переключали одно устройство то на нагрев, то на охлаждение кубита. Затем в точно определенные моменты они изменяли энергетический уровень кубита — и тем самым завершали четыре стадии квантового цикла Отто.

Цикл Отто известен прежде всего как термодинамический процесс, лежащий в основе бензиновых двигателей. Однако в данном эксперименте вместо сжатого газа в цилиндре «рабочим веществом» выступал кубит, обменивавшийся ничтожными порциями энергии внутри криогенной схемы.

«В нашем эксперименте мы создали тепловой двигатель наноразмерного масштаба на основе сверхпроводящих схем и работали с ним в криостате при температурах, близких к абсолютному нулю. В его основе — трансмонный кубит, один из базовых элементов современных квантовых технологий», — рассказывает первый автор исследования Туомас Уусняки.

Команда начинала с кубита в тепловом состоянии и выполняла три последовательных цикла работы двигателя. Единичные измерения позволяли отслеживать изменения состояния кубита и вычислять, сколько тепла он поглотил, сколько работы совершил и насколько эффективно функционировал.

«Наш квантовый холодильник при необходимости можно настроить как на нагрев, так и на охлаждение кубита. С помощью точно рассчитанных управляющих импульсов мы запускали двигатель по циклу Отто и наблюдали за состоянием кубита во время работы», — объясняет Уусняки.

Измерения показали, что двигатель действительно совершал полезную работу, а не просто перераспределял тепло по схеме. Измеренные мощность и эффективность совпали с результатами компьютерного моделирования, проведенного исследователями, что подтвердило: перед ними настоящий циклический тепловой двигатель.

«Это первая экспериментальная демонстрация циклического квантового теплового двигателя на сверхпроводниковых схемах. Использование одного управляемого квантового холодильника и в качестве горячей, и в качестве холодной среды делает конструкцию более простой и гибкой», — говорит Уусняки.

Квантовые тепловые двигатели уже демонстрировались ранее — на основе ионных ловушек, атомных газов, ядерных спинов и дефектов в алмазах. Однако сверхпроводниковые схемы имеют особое значение, поскольку они уже являются одной из ведущих платформ для квантовых вычислений, связи и сенсорики. До сих пор ни в одном эксперименте не удавалось осуществить полный цикл квантового теплового двигателя именно на базе этой технологии.

Главная ценность открытия — не в количестве совершенной работы, которое чрезвычайно мало. Гораздо важнее то, что эксперимент показал: теплом можно целенаправленно управлять и преобразовывать его внутри той самой микросхемы, из которой создают квантовые процессоры.

Эта способность может стать особенно ценной по мере увеличения масштабов квантовых компьютеров. Современные сверхпроводниковые системы зависят от огромного количества микроволновых кабелей, тянущихся от электроники, работающей при комнатной температуре, к процессорам, охлажденным до температур, лишь на доли градуса превышающих абсолютный ноль. Каждый такой кабель увеличивает стоимость, занимает место и может вносить в систему избыточное тепло или шум.

Сейчас исследователи работают над полностью автономной версией устройства. Одно из возможных применений — считывание состояния кубита без передачи микроволнового сигнала от охлажденного процессора к компонентам, работающим при комнатной температуре. Перенос большего числа функций управления непосредственно в криогенную схему может существенно снизить потребность во внешних проводных соединениях.