Физики построили первый квантовый тепловой двигатель — и он может спасти квантовые компьютеры от кабельного хаоса
Финские физики впервые заставили тепловой двигатель работать по законам квантового мира — при температуре, на волосок отличающейся от абсолютного нуля. Устройство размером с пылинку может решить одну из главных инженерных проблем будущих квантовых компьютеров: миллионы дорогих проводов, которые тянутся от чипа к комнатной температуре.
Двигатель, которого не было
Паровая машина Уатта, двигатель внутреннего сгорания, турбина на электростанции — все они превращают тепло в работу по одним и тем же законам термодинамики, выведенным ещё в XIX веке, напоминает xrust. Вопрос, который давно мучил физиков: а что произойдёт с этими законами, если сжать двигатель до размеров, где правит не механика, а квантовая неопределённость?
Команда из университета Аалто (Финляндия) впервые дала на него экспериментальный ответ. Учёные под руководством профессора Микко Мёттёнена собрали сверхпроводящую схему, которая ведёт себя как настоящий циклический тепловой двигатель — только вместо поршня и цилиндра в ней работают кубит и резонатор, а вместо угля — крохи тепла, которых хватает лишь при температуре в тысячные доли градуса выше абсолютного нуля. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Как устроен движок на квантах
В основе устройства — трансмонный кубит (один из базовых элементов современных квантовых процессоров), соединённый с квантовым рефрижератором. Именно рефрижератор — ключевая находка команды: обычному тепловому двигателю нужны два разных резервуара, горячий и холодный. Здесь же один и тот же управляемый чип попеременно то греет, то охлаждает кубит по команде.
«Наш квантовый рефрижератор можно настраивать и на нагрев, и на охлаждение кубита по требованию. С помощью точно рассчитанных по времени управляющих импульсов мы прогнали двигатель по циклу Отто и следили за состоянием кубита», — рассказывает первый автор исследования Туомас Ууснякки.
Цикл Отто — тот же термодинамический процесс, что крутит поршни в бензиновом двигателе автомобиля. Разница в масштабе: там сгорает топливо, здесь — управляемые импульсы гоняют тепло между состояниями одной-единственной квантовой частицы. Измерения показали: за каждый цикл система стабильно выдаёт положительную работу. Это первая экспериментальная демонстрация именно циклического квантового теплового двигателя на сверхпроводящих схемах — раньше подобное удавалось только в теории или в разовых, нециклических экспериментах.
Зачем это нужно: спасение от миллионов проводов
Пока это лабораторный proof-of-concept, но у него есть вполне прикладная цель. Финны рассчитывают довести технологию до автономного устройства, которое сможет прямо на чипе считывать состояние кубитов — без микроволнового импульса, который сегодня приходится тянуть кабелем от чипа при температуре в милликельвины до аппаратуры при комнатной температуре.
Звучит как техническая деталь, но именно она — одно из главных узких мест на пути к по-настоящему большим квантовым компьютерам. Финская национальная квантовая стратегия предполагает создание машины на тысячу логических кубитов к 2035 году. В пересчёте на физические кубиты (с учётом коррекции ошибок) это сотни тысяч элементов — и, по словам Мёттёнена, при нынешних технологиях столько кубитов потребует миллионов микроволновых кабелей, каждый из которых стоит около тысячи евро (порядка 100 тысяч рублей по текущему курсу). Кроме дороговизны, кабели ещё и тянут в систему лишний шум, который разрушает и без того хрупкие квантовые состояния.
Автономный квантовый двигатель, встроенный прямо в схему, потенциально закрывает обе проблемы разом: не нужно тянуть провод — не нужно платить за него и не нужно бороться с шумом, который он приносит.
Что это значит на самом деле
Здесь стоит отделить эффектный заголовок от реального состояния дел. Учёные не создали автономное устройство — они доказали, что принцип рабочий, и на этом фундаменте можно строить дальше. От лабораторного цикла Отто на одном кубите до самостоятельного встроенного механизма считывания в промышленном процессоре — дистанция в несколько лет исследований, и в самой статье авторы говорят об этом прямо: следующий шаг — довести конструкцию до полной автономности.
Тем не менее, сама постановка вопроса показательна. Гонка квантовых технологий давно перестала быть спором о том, кто соберёт больше кубитов на бумаге — сейчас решают куда более приземлённые вещи: как охладить чип, как считать с него данные и, как выясняется, даже как встроить в него крошечный «моторчик», который будет питаться буквально крохами тепла. Для России, где квантовые разработки ведут МГУ, Российский квантовый центр и структуры «Росатома», эта тема тоже не отвлечённая: те же самые кабельные и тепловые ограничения стоят перед любой лабораторией, которая пытается масштабировать сверхпроводниковые кубиты — и решение, найденное в Финляндии, в теории применимо к архитектурам, которые разрабатывают и здесь.
Работу поддержали Совет по исследованиям Финляндии и Финский культурный фонд, а сам эксперимент провели на базе национальной инфраструктуры OtaNano.
Источники:
Xrust: Физики построили первый квантовый тепловой двигатель — и он может спасти квантовые компьютеры от кабельного хаосаКомментарии
