Výsledky výzkumu, vedeného profesorem Mikkem Möttönenem, byly publikovány v prestižním časopise Nature Communications. Nejde přitom jen o zajímavou laboratorní demonstraci. Experiment ukazuje, že teplo lze v kvantových obvodech nejen řídit, ale také efektivně využívat, což je do budoucna výrazná pomoc například při konstrukci mnohem větších a výkonnějších kvantových počítačů.

Klasický princip v naprosto odlišném světě

Tepelné motory provázejí lidstvo už více než dvě století. Fungují v automobilech, elektrárnách i průmyslových zařízeních a jejich základní princip je stále stejný, kdy využívají rozdíl mezi teplým a studeným prostředím k přeměně tepelné energie na mechanickou práci.

Nový experiment využívá tentýž fyzikální princip, jen v prostředí, které se běžné lidské zkušenosti zcela vymyká. Místo pístů, válců a spalování paliva zde pracuje jediný qubit, jediná základní jednotka kvantové informace. Celý proces navíc probíhá při teplotách jen nepatrně vyšších než absolutní nula,  přibližně -273,15 °C, kde se začínají naplno projevovat zákony kvantové mechaniky.

Zde v tomto extrémním prostředí vědci dokázali, že i mikroskopický kvantový systém může fungovat jako skutečný tepelný motor.

Srdcem motoru je jediný qubit

Základ celého zařízení tvoří takzvaný transmon qubit, což je jeden z nejpoužívanějších typů qubitů v současných supravodivých kvantových počítačích. Transmony jsou oblíbené především proto, že dokážou poměrně stabilně uchovávat kvantovou informaci a lze je velmi přesně řídit pomocí mikrovlnných signálů.

Výzkumníci tento qubit spojili s rezonátorem a speciálním kvantovým chladicím obvodem označovaným jako Quantum Circuit Refrigerator. Přesně tento prvek představuje jednu z nejzajímavějších částí celého experimentu.

Zatímco běžné tepelné motory potřebují samostatný zdroj tepla a samostatný chladič, zde oba procesy obstarávalo samostatné zařízení. Vědci pouze měnili jeho nastavení tak, aby qubit podle potřeby buď zahřívalo, nebo ochlazovalo.

Současně ve správných okamžicích upravovali energetické hladiny samotného qubitu. Za pomoci této přesně načasované sekvence vznikl kompletní čtyřfázový Ottoův cyklus, který je známý například ze zážehových benzínových motorů.

Rozdíl jen spočívá pouze v tom, že místo stlačovaného plynu uvnitř válce zde pracovala jediná kvantová částice, která si vyměňovala extrémně malé množství energie uvnitř kryogenního obvodu.

Jak vědci ověřili, že motor skutečně pracuje

Samotná demonstrace by rozhodně nebyla dostačující. Výzkumníci proto potřebovali přesvědčivě doložit, že zařízení skutečně vykonává práci a nejde výhradně o přesun energie uvnitř obvodu.

Pokus začínal tím, že byl qubit uveden do přesně definovaného tepelného stavu. Motor posléze absolvoval až tři pracovní cykly za sebou.

Pomocí velmi přesných jednorázových měření sledovali vědci změny kvantového stavu qubitu během celého procesu, načež byli schopni spočítat, kolik tepla systém přijal, kolik energie odevzdal ve formě práce a jaká byla jeho celková účinnost.

Naměřené hodnoty ukázaly, že zařízení skutečně produkovalo kladnou práci, nikoliv pouze přemisťovalo teplo mezi jednotlivými částmi obvodu. Zároveň se výsledky velmi dobře shodovaly s teoretickými simulacemi, což představuje silný důkaz, že jde o plnohodnotný cyklický kvantový tepelný motor.

Zdroj: Shutterstock

Proč jsou supravodivé obvody tak důležité

Kvantové tepelné motory nejsou úplně nová záležitost. V minulosti byly podobné experimenty provedeny například s uvězněnými ionty, atomárními plyny, jadernými spiny nebo s defekty v diamantových krystalech.

Supravodivé obvody však představují něco jiného.

Tato technologie dnes patří mezi nejperspektivnější platformy pro vývoj kvantových počítačů, kvantové komunikace i extrémně citlivých senzorů. Největší společnosti i výzkumné laboratoře po celém světě staví své kvantové procesory zrovna na supravodivých qubitech.

Až dosud se ale nikomu nepodařilo vytvořit kompletní cyklický kvantový tepelný motor v tomto samém typu technologie. Finský experiment tak představuje důležitý milník, který svým způsobem navazuje na oblast kvantové termodynamiky s praktickým vývojem kvantových procesorů.

Skutečný význam není ve výkonu

Nejdůležitějším údajem však není ani tak výkon motoru, protože v praxi je množství vyrobené energie naprosto zanedbatelné. Motor pracuje s neuvěřitelně malými energetickými hodnotami, které jsou z praktického hlediska téměř nevyužitelné.

Hlavní význam experimentu spočívá úplně jinde.

Výzkumníci poprvé ukázali, že lze uvnitř stejného typu obvodů, které tvoří základ moderních kvantových procesorů, cíleně řídit tok tepla a přeměňovat jej na užitečnou práci. To otevírá zcela nové možnosti při návrhu budoucích kvantových zařízení. Takže tedy nové reálné možnosti pro efektivní využití.

Následovat budou větší kvantové počítače

Současné supravodivé kvantové počítače mají jednu zásadní nevýhodu, kdy procesory musí pracovat při extrémně nízkých teplotách, zatímco řídicí elektronika zůstává při pokojové teplotě.

Mezi oběma částmi proto vede obrovské množství mikrovlnných kabelů.

Každý jednotlivý qubit potřebuje vlastní komunikační spojení a s rostoucím počtem qubitů počet kabelů dramaticky narůstá. Tyto kabely zabírají místo, výrazně prodražují celý systém a zároveň představují zdroj nežádoucího tepla i elektromagnetického šumu, který pak může narušovat citlivé kvantové výpočty.

A zde by mohl pomoci tento nový kvantový tepelný motor.

Tým výzkumníků nyní pracuje na jeho plně autonomní verzi. Jednou z uvažovaných aplikací je například čtení stavu qubitu přímo uvnitř kryogenního systému bez nutnosti posílat mikrovlnné signály mezi procesorem a elektronikou umístěnou při pokojové teplotě.

V případě, že by se podařilo více řídicích funkcí přesunout přímo do samotného kvantového čipu, mohlo by být potřeba výrazně méně externích kabelů.

Výzva pro budoucnost kvantových technologií

Podle finské národní strategie pro kvantové technologie by měla země do roku 2035 disponovat kvantovým počítačem s tisícem logických qubitů. Takový systém by ale pravděpodobně vyžadoval stovky tisíc fyzických qubitů.

Při současném způsobu konstrukce by jejich obsluha znamenala použití milionů mikrovlnných kabelů, z nichž každý stojí tisíce eur. Kromě vysokých nákladů by se tím výrazně zvýšilo také množství šumu a tepelných ztrát.

A proto se vědci snaží vyvíjet autonomní kvantová zařízení schopná vykonávat některé úkoly přímo uvnitř kryogenního prostředí bez zásahu externí elektroniky. Pokud se reálně podaří tento koncept dále rozvíjet, mohly by podobné autonomní kvantové komponenty výrazně zjednodušit architekturu budoucích kvantových počítačů, což by určitě usnadnilo cestu ke strojům obsahujícím stovky tisíc až miliony qubitů, jejichž konstrukce je při současném přístupu mimořádně složitá i finančně náročná.