アルト大学、初の超伝導量子ヒートエンジンを発表

アルト大学の研究者らは、超伝導回路内に構築した世界初のサイクル型量子ヒートエンジンを実証した。この成果は、2026年8月14日付の『Nature Communications』に掲載された。この装置は絶対零度付近で動作し、微量の熱を変換することで繰り返し正の仕事を生み出した。これは超伝導ヒートエンジンの概念実証であり、将来的には量子コンピューティング技術の向上につながる可能性がある。

このエンジンは、トランスモン量子ビット、共振器、量子冷凍機を組み合わせたもので、すべて超伝導回路内にナノ加工されている。アカデミー教授のミッコ・モットネン氏が率いるチームは、量子冷凍機を用いて量子ビットを必要に応じて加熱・冷却し、自動車エンジンと同じ熱力学サイクルであるオットーサイクルを、精密に制御されたパルスによって駆動した。測定の結果、サイクル中に量子ビットを通過する熱が正の仕事を生み出すことが確認された。

この実験は量子力学と熱力学を橋渡しするもので、トンネル効果や量子もつれ、重ね合わせなどの量子効果が存在する場合に、身近な熱力学プロセスがどのように振る舞うかを示している。第一著者のトゥオマス・ウースナッキ氏によると、単一の制御可能な量子冷凍機を高温環境と低温環境の両方として使用することで、従来の熱エンジンが別々の高温・低温リザーバーに依存するのに対し、このシステムはより単純で多用途であるという。

研究者らは現在、設計を改良し、完全自律型のヒートエンジンを開発することを目指している。潜在的な応用の一つは、ミリケルビン温度から室温までマイクロ波パルスを運ぶことなく量子ビットを読み出すことだ。モットネン氏は、フィンランドの量子技術戦略が2035年までに1000論理量子ビットの量子コンピュータを構想しており、それには数十万の物理量子ビットと、1本あたり数千ユーロする数百万本のマイクロ波ケーブルが必要になるだろうと指摘する。超伝導回路に統合された自律型デバイスは、コストと複雑さを軽減し、ケーブルによって導入されるノイズの多くを排除できる可能性がある。

実験は、フィンランドのナノ・マイクロ・量子技術のための国家研究インフラであるOtaNanoを用いて実施された。資金は、フィンランド研究評議会とフィンランド文化財団から提供された。