Aalto prezentuje pierwszy nadprzewodnikowy silnik cieplny kwantowy

Naukowcy z Aalto University zademonstrowali pierwszy na świecie cykliczny kwantowy silnik cieplny zbudowany w nadprzewodnikowym obwodzie, zgodnie z badaniem opublikowanym w Nature Communications 14 sierpnia 2026 roku. Urządzenie, działające w pobliżu zera absolutnego, wielokrotnie wytwarzało dodatnią pracę, przetwarzając niewielkie ilości ciepła, co stanowi dowód koncepcji dla nadprzewodnikowych silników cieplnych, które w przyszłości mogą usprawnić technologię obliczeń kwantowych.

Silnik łączy kubit transmonowy, rezonator i kwantową lodówkę, wszystkie nanofabrykowane w nadprzewodnikowym obwodzie. Pod kierownictwem profesora Akademii Mikko Möttönena zespół wykorzystał kwantową lodówkę do ogrzewania i chłodzenia kubitu na żądanie, napędzając cykl Otto – ten sam proces termodynamiczny, który stosowany jest w silnikach samochodowych – za pomocą precyzyjnie zsynchronizowanych impulsów sterujących. Pomiary potwierdziły, że ciepło przepływające przez kubit podczas cyklu generowało dodatnią pracę.

Ten eksperyment łączy mechanikę kwantową z termodynamiką, pokazując, jak znane procesy termodynamiczne zachowują się w obecności efektów kwantowych, takich jak tunelowanie, splątanie i superpozycja. Według pierwszego autora Tuomasa Uusnäkki, zastosowanie jednej sterowalnej kwantowej lodówki jako zarówno gorącego, jak i zimnego otoczenia czyni system prostszym i bardziej wszechstronnym niż konwencjonalne silniki cieplne, które opierają się na oddzielnych zbiornikach ciepła i zimna.

Naukowcy pracują obecnie nad ulepszeniem konstrukcji i opracowaniem w pełni autonomicznego silnika cieplnego. Jednym z potencjalnych zastosowań jest odczyt kubitów bez przesyłania impulsów mikrofalowych z temperatur milikelwinowych do temperatury pokojowej. Möttönen zauważa, że fińska strategia technologii kwantowej zakłada stworzenie komputera kwantowego z tysiącem logicznych kubitów do 2035 roku, co prawdopodobnie wymagałoby setek tysięcy fizycznych kubitów i milionów kabli mikrofalowych, z których każdy kosztowałby tysiące euro. Autonomiczne urządzenia zintegrowane z nadprzewodnikowymi obwodami mogłyby zmniejszyć koszty i złożoność, jednocześnie eliminując większość szumów wprowadzanych przez kable.

Eksperyment przeprowadzono z wykorzystaniem OtaNano, fińskiej krajowej infrastruktury badawczej dla nanotechnologii, mikroelektroniki i technologii kwantowej. Finansowanie pochodziło z Fińskiej Rady ds. Badań Naukowych oraz Fińskiej Fundacji Kulturalnej.