Этот автономный тепловой агрегат не только позволит сэкономить значительные средства на микроволновых кабелях, но и значительно упростит процесс сборки квантовых вычислительных систем.
Ирина Петрова
Основа работы квантового компьютера это кубит. Источник: Наука Mail
Минимальное тепло от квантового холодильника преобразуется в полезную работу
Исследователи из финского Университета Аалто разработали первый в мире циклический тепловой двигатель, функционирующий внутри сверхпроводящего контура. Устройство использует минимальное количество тепла от квантового холодильника и преобразует его в полезную работу. Данная разработка способна сэкономить тысячи евро при создании квантовых компьютеров, содержащих тысячи кубитов, в ближайшие годы.
Стратегия развития квантовых технологий в Финляндии предполагает создание к 2035 году квантового компьютера с тысячей логических кубитов. Для такой машины потребуются сотни тысяч физических кубитов, соединённых миллионами микроволновых кабелей. Каждый такой кабель в настоящее время стоит около тысячи евро, что существенно увеличивает общую стоимость системы.
Кроме финансовых затрат, учёные из Университета Аалто были обеспокоены шумом, который эта инфраструктура вносит в квантовую систему. Поэтому они задумались о возможностях альтернативного подхода.
Решением проблемы может стать создание автономных устройств на квантовом уровне, которые позволили бы полностью отказаться от использования кабелей. Однако для разработки такого устройства учёным сначала пришлось создать квантовый тепловой двигатель.
Квантовый тепловой двигатель
Тепловые двигатели играли ключевую роль в промышленной революции. Они встречаются повсюду — от автомобилей и самолётов до кораблей и электростанций. Эти устройства преобразуют тепло в полезную энергию, которая затем используется для выполнения работы.
В прошлом человечество создавало всё более крупные двигатели. Сегодня физики увлечены идеей реализации классической термодинамики на квантовом уровне. Группа под руководством Микко Мёттёнена, профессора квантовых технологий в Университете Аалто, достигла этого результата, используя трансмонный кубит, резонатор и квантовый холодильник.
«В ходе эксперимента мы создали наномеханический тепловой двигатель на основе сверхпроводящих контуров и запустили его в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю», — пояснил Туомас Ууснякки, один из создателей устройства. Команда воспроизвела цикл Отто — тот же термодинамический процесс, который используется в автомобильных двигателях, — но внутри сверхпроводящего контура.
Исследователи из Университета Аалто подчеркивают, что их разработка знаменует собой сдвиг в подходе к квантовым вычислениям: вместо масштабирования за счёт увеличения числа внешних компонентов, они предлагают интегрировать термодинамические процессы непосредственно в квантовую цепь. Это не просто инженерное усовершенствование, а концептуальный прорыв, позволяющий переосмыслить саму архитектуру квантовых систем. В отличие от традиционных методов, где каждый кубит требует индивидуального микроволнового управления, квантовый тепловой двигатель может служить локальным источником энергии и контроля, работая автономно внутри криостата. Такая локализация снижает уровень шума, который неизбежно возникает при передаче сигналов через длинные кабели, и повышает стабильность работы кубитов.
Путь к автономным устройствам
Чтобы проверить, способен ли тепловой двигатель совершать измеримую работу, исследователи переместили кубит в квантовый циркуляционный холодильник и начали управлять потоком тепла на квантовом уровне. В отличие от традиционных тепловых двигателей, квантовая версия использует квантовый холодильник как для получения тепла, так и для охлаждения. Это делает систему одновременно простой и универсальной.
«Наш квантовый холодильник можно настроить на нагрев и охлаждение кубита по мере необходимости. С помощью точно выверенных управляющих импульсов мы заставили двигатель работать по циклу Отто и следили за состоянием кубита во время его работы», — добавил Ууснякки.
Создание квантового теплового двигателя открывает дорогу к полноценному автономному тепловому двигателю, который сможет выполнять такие задачи, как считывание кубитов, без использования микроволновых импульсов при переходе от температур, близких к абсолютному нулю, к комнатной температуре.
Автономный тепловой двигатель не только сэкономит тысячи евро на стоимости микроволновых кабелей, но и упростит создание квантовых компьютеров в будущем.
Практическая значимость этого изобретения выходит далеко за рамки экономии на кабелях. По оценкам учёных, для квантового компьютера с тысячей логических кубитов потребуется не менее 300 тысяч физических кубитов, каждый из которых необходимо соединить с управляющей электроникой. Даже при условии снижения стоимости кабелей в будущем, суммарные затраты на инфраструктуру будут исчисляться десятками миллионов евро. Автономные тепловые двигатели способны сократить эти расходы на 40–50 процентов, одновременно уменьшив тепловую нагрузку на криогенную систему, что критически важно для поддержания сверхпроводящего состояния.
Перспективы изобретения
Следующим этапом для команды Мёттёнена станет создание полностью интегрированной системы, где квантовый тепловой двигатель будет не только демонстрационным образцом, но и функциональным элементом, выполняющим реальные вычислительные задачи.
Учёные планируют соединить несколько таких двигателей в единую сеть, чтобы обеспечить синхронное управление массивами кубитов. Это потребует решения ряда технических задач, включая точную калибровку цикла Отто для разных типов кубитов и минимизацию потерь энергии на квантовом уровне. Однако первые эксперименты уже показали, что эффективность теплового преобразования в сверхпроводящем контуре может достигать 30–40 процентов, что сопоставимо с показателями классических малых двигателей.
Долгосрочные перспективы связаны не только с квантовыми компьютерами. Разработка автономных тепловых машин на квантовом уровне может найти применение в наноэлектронике, криогенных сенсорах и системах для квантовой связи.
Возможность управлять тепловыми потоками с беспрецедентной точностью открывает дорогу к созданию новых типов охлаждающих устройств и энергоэффективных вычислений. Для Финляндии, где квантовая индустрия является одним из приоритетных направлений национальной стратегии, этот успех подтверждает лидерство страны в области квантовых технологий и укрепляет её позиции на мировой арене.
Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature, что стало важным сигналом для международного научного сообщества: квантовая термодинамика перестаёт быть чисто теоретической дисциплиной и начинает приносить практические результаты.
В ближайшие два года можно ожидать появления первых прототипов, где квантовые тепловые двигатели будут интегрированы в тестовые вычислительные системы. Если эти испытания пройдут успешно, к 2030 году квантовые компьютеры могут стать не только мощнее, но и значительно дешевле в производстве, что ускорит их коммерциализацию и внедрение в такие сферы, как моделирование лекарств, оптимизация логистики и криптография.