Aalto bouwt eerste supergeleidende kwantumwarmtemotor

Onderzoekers van Aalto University hebben de eerste cyclische kwantumwarmtemotor ter wereld gedemonstreerd, gebouwd in een supergeleidende schakeling, zo blijkt uit een studie die op 14 augustus 2026 in Nature Communications is gepubliceerd. Het apparaat, dat werkt nabij het absolute nulpunt, leverde herhaaldelijk positieve arbeid door kleine hoeveelheden warmte om te zetten. Dit is een proof of concept voor supergeleidende warmtemotoren die uiteindelijk de kwantumcomputingtechnologie kunnen verbeteren.

De motor combineert een transmon-qubit, een resonator en een kwantumkoelkast, allemaal nanogefabriceerd in een supergeleidende schakeling. Onder leiding van academieprofessor Mikko Möttönen gebruikte het team de kwantumkoelkast om de qubit op verzoek zowel te verwarmen als te koelen, waarmee een Otto-cyclus werd aangedreven – hetzelfde thermodynamische proces dat in automotoren wordt gebruikt – via zorgvuldig getimede stuurbare pulsen. Metingen bevestigden dat warmte die tijdens de cyclus door de qubit stroomde, positieve arbeid opleverde.

Dit experiment overbrugt kwantummechanica en thermodynamica en laat zien hoe bekende thermodynamische processen zich gedragen wanneer kwantumeffecten zoals tunneling, verstrengeling en superpositie aanwezig zijn. Volgens eerste auteur Tuomas Uusnäkki maakt het gebruik van een enkele regelbare kwantumkoelkast als zowel de warme als de koude omgeving het systeem eenvoudiger en veelzijdiger dan conventionele warmtemotoren, die afhankelijk zijn van afzonderlijke warme en koude reservoirs.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van het ontwerp en aan de ontwikkeling van een volledig autonome warmtemotor. Een mogelijke toepassing is het uitlezen van qubits zonder microgolfpulsen van millikelvintemperaturen naar kamertemperatuur te transporteren. Möttönen merkt op dat de Finse kwantumtechnologiestrategie tegen 2035 een kwantumcomputer met duizend logische qubits voor ogen heeft, wat waarschijnlijk honderdduizenden fysieke qubits en miljoenen microgolfkabels zou vereisen die duizenden euro's per stuk kosten. Autonome apparaten die in supergeleidende schakelingen zijn geïntegreerd, zouden zowel de kosten als de complexiteit kunnen verlagen en veel van de ruis die door kabels wordt geïntroduceerd, kunnen elimineren.

Het experiment werd uitgevoerd met behulp van OtaNano, de nationale onderzoeksinfrastructuur van Finland voor nano-, micro- en kwantumtechnologie. De financiering kwam van de Onderzoeksraad van Finland en de Finse Culturele Stichting.