Aalto baut ersten supraleitenden Quantenwärmemotor

Forschende der Aalto-Universität haben den weltweit ersten zyklischen Quantenwärmemotor in einer supraleitenden Schaltung demonstriert, wie eine am 14. August 2026 in Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt. Das Gerät, das nahe dem absoluten Nullpunkt arbeitet, erzeugte wiederholt positive Arbeit, indem es winzige Wärmemengen umwandelte – ein Machbarkeitsnachweis für supraleitende Wärmemotoren, die künftig die Quantencomputer-Technologie verbessern könnten.

Der Motor kombiniert ein Transmon-Qubit, einen Resonator und einen Quantenkühlschrank, die alle in einer supraleitenden Schaltung nanofabriziert sind. Unter der Leitung von Akademieprofessor Mikko Möttönen nutzte das Team den Quantenkühlschrank, um das Qubit bei Bedarf zu heizen und zu kühlen, und trieb so einen Otto-Zyklus an – denselben thermodynamischen Prozess, der auch in Automotoren verwendet wird – durch sorgfältig getimte Steuerimpulse. Messungen bestätigten, dass die während des Zyklus durch das Qubit fließende Wärme positive Arbeit erzeugte.

Dieses Experiment verbindet Quantenmechanik und Thermodynamik und zeigt, wie vertraute thermodynamische Prozesse funktionieren, wenn Quanteneffekte wie Tunneln, Verschränkung und Superposition eine Rolle spielen. Laut Erstautor Tuomas Uusnäkki macht die Verwendung eines einzigen steuerbaren Quantenkühlschranks als sowohl heiße als auch kalte Umgebung das System einfacher und vielseitiger als herkömmliche Wärmemotoren, die auf getrennte heiße und kalte Reservoire angewiesen sind.

Die Forschenden arbeiten nun daran, das Design zu verbessern und einen vollständig autonomen Wärmemotor zu entwickeln. Eine mögliche Anwendung ist das Auslesen von Qubits, ohne Mikrowellenimpulse von Millikelvin-Temperaturen auf Raumtemperatur zu übertragen. Möttönen merkt an, dass die finnische Quantentechnologie-Strategie bis 2035 einen Quantencomputer mit tausend logischen Qubits vorsieht, was wahrscheinlich Hunderttausende physischer Qubits und Millionen von Mikrowellenkabeln erfordern würde, die jeweils Tausende von Euro kosten. Autonome Geräte, die in supraleitende Schaltungen integriert sind, könnten sowohl Kosten als auch Komplexität reduzieren und gleichzeitig einen Großteil des durch Kabel verursachten Rauschens eliminieren.

Das Experiment wurde mit OtaNano durchgeführt, der nationalen Forschungsinfrastruktur Finnlands für Nano-, Mikro- und Quantentechnologie. Die Finanzierung erfolgte durch den Forschungsrat Finnlands und die Finnische Kulturstiftung.