İlk süper iletken kuantum ısı motoru, ısıyı faydalı işe dönüştürebiliyor ve gelecekte devasa kuantum bilgisayarlarının inşa edilmesini kolaylaştırmak için büyük maliyetli ve gürültülü mikrodalga kablelerinin sayısını azaltabilir.
Bilim adamları, süper iletken bir devre içinde inşa edilen ilk döngüsel kuantum ısı motorunu gösterdiler. Bu motor, ısıyı faydalı işe dönüştürebiliyor ve gelecekte devasa kuantum bilgisayarlarının inşa edilmesini kolaylaştırmak için büyük maliyetli ve gürültülü mikrodalga kablelerinin sayısını azaltabilir.
Deney, iki farklı fizik alanı birleştirdi: kuantum mekaniği ve termodinamik. Kuantum mekaniği, maddeyi atomların altında bulunan ölçeklerde açıklarken, termodinamik daha büyük sistemlerde ısı ve enerjinin davranışını açıklar. Bu iki alanı birleştirmek, termodinamik süreçlerin kuantum etkileri gibi tünelleme, iç içe geçme ve süperpozisyon gibi etkilerle nasıl değiştiğini sorgulamaya yol açar.
Kuantum Dünyası için İnşa Edilen Isı Motoru
Geleneksel ısı motorları, ısıyı faydalı işe dönüştürür. James Watt'ın buhar makinesi, bu kavramın ünlü bir örneğidir, ancak aynı temel prensip modern ulaşım ve elektrik üretiminde merkezi bir rol oynamaya devam eder.
Araştırmacılar, süper iletken kuantum ısı motorunun ilk örneğini yarattılar. Çok küçük bir cihaz, bir transmon kubiti, bir rezonatör ve bir kuantum buzdolabını birleştirir.
Ultracold kuantum koşullarında çalışan motor, mevcut ısıyı kullanarak tekrar tekrar pozitif iş üretti. Bu tür bir döngüsel işletmenin elde edilmesi, kuantum ısı motorları üzerinde çalışan araştırmacılar için önemli bir hedef oldu. Sonuç, süper iletken ısı motorları için bir kavram kanıtı sağlar ve gelecekte kuantum hesaplama teknolojisine katkıda bulunabilir.
Sıfırın Yakınında Otto Döngüsü
Motoru çalıştırmak için, araştırmacılar süper iletken bir devre içinde bir Otto döngüsü yeniden yarattılar. Otto döngüsü, bir termal işlem olup, araba motorları ve diğer geleneksel makinelerde de kullanılır.
"Deneyimizde, süper iletken devreler ve bir kriyostat kullanarak bir ısı motoru inşa ettik ve bunu neredeyse mutlak sıfırın yakınında çalıştırdık. Kalbinde, modern kuantum teknolojilerinin temel yapı taşlarından biri olan bir transmon kubiti bulunur," diyor çalışmanın ilk yazarı Tuomas Uusnäkki.
Araştırmacılar, transmon kubitiyi bir kuantum devre buzdolabına bağlayarak, kuantum ölçeğinde ısı akışını kontrol edebildiler ve bu ısıyı ölçülebilir işe dönüştürebildiler. Geleneksel bir ısı motoru genellikle ayrı sıcak ve soğuk ortamlara dayanır, ancak bu sistemde aynı kuantum buzdolabı hem ısıtma hem de soğutma için kullanılabilir.
"Kuantum-devre buzdolabımız, kubiti hem ısıtabilir hem de soğutabilir. Dikkatli zamanlanmış kontrol darbeleri kullanarak, motoru bir Otto döngüsünde çalıştırdık ve motor çalışırken kubitin durumunu izledik," diye açıklıyor Uusnäkki.
Ölçümler, döngü sırasında kubite geçen ısı'nın pozitif iş ürettiğini gösterdi.
"Bu, süper iletken devrelerde inşa edilen ilk döngüsel kuantum ısı motorunun deneysel bir gösterimidir. Isı motorunun hem sıcak hem de soğuk ortamı olarak tek bir kontrollü kuantum buzdolabı kullanmak, daha basit ve daha esnek yapar," diyor Uusnäkki.
Otonom Kuantum Bilgisayar Donanımı Doğruyu
Araştırmacılar, şimdi tasarımı geliştirmeye ve sonunda tamamen otonom bir ısı motoru geliştirmeye çalışıyorlar. Bir olası kullanım, kubiti okurken milikelvin sıcaklıklarından oda sıcaklığına kadar mikrodalga darbelerini taşımak zorunda kalmayacak bir cihaz olabilir.
Bu yetenek, kuantum bilgisayarlar büyüdükçe özellikle değerli olabilir. Süper iletken devreler içine entegre edilmiş otonom cihazlar, çok büyük sayıda kubite sahip makinelerin hem maliyetini hem de karmaşıklığını azaltabilir.
"Finlandiya'nın Kuantum Teknoloji Stratejisi, 2035 yılına kadar bin mantıksal kubite sahip bir kuantum bilgisayarı öngörüyor, bu da muhtemelen yüz binlerce fiziksel kubite anlamına geliyor. Mevcut teknolojiyle bunu yapmak, her biri binlerce avro maliyetinde olan milyonlarca mikrodalga kablosu gerektirir. Kablo da kuantum sistemlerine gürültü ekler. Otonom cihazları kullanmak, bu kabloların çoğunu ortadan kaldırabilir," diyor Möttönen.
Kabloların ihtiyacını azaltmak, iki zorluğu aynı anda ele alabilir: devasa kuantum bilgisayarlarının devasa donanım gereksinimleri ve kabloların kuantum sistemlerine sokabileceği istenmeyen gürültü.
Öncü deney, Finlandiya'nın nano, mikro ve kuantum teknolojisi için ulusal araştırma altyapısı OtaNano kullanarak gerçekleştirildi. Fon, Finlandiya Araştırma Konseyi ve Finlandiya Kültür Vakfı'ndan geldi.
