Физики впервые запустили квантовый двигатель на сверхпроводниках: как он устроен
Классическая термодинамика, сформировавшаяся в девятнадцатом веке, описывает поведение макроскопических объектов — систем, состоящих из астрономического числа частиц. Законы, определяющие передачу тепла, совершение работы и изменение энтропии, изначально выводились для крупных механических устройств. Однако сегодня физика подошла к рубежу, за которым эти же законы необходимо применять к объектам микромира — отдельным молекулам, атомам и искусственным квантовым структурам.
Возникшее на стыке дисциплин направление — квантовая термодинамика — исследует, как именно фундаментальные физические величины, такие как тепло и работа, проявляют себя на уровне одиночных квантовых состояний. Недавнее исследование группы физиков из Университета Аалто и Центра технических исследований Финляндии (VTT), опубликованное в журнале Nature Communications, описывает первый успешный эксперимент по созданию циклического квантового теплового двигателя на основе сверхпроводящих цепей. Авторам работы удалось зафиксировать выделение полезной работы и измерить эффективность системы, подтвердив теоретические модели, которые до сих пор существовали преимущественно на бумаге.
Содержание
Проблема квантового перегрева
Основная сложность при создании любых термодинамических устройств на квантовом уровне заключается в фундаментальном противоречии между природой квантовых систем и принципом работы тепловых машин.
Сверхпроводящие кубиты, используемые в современных квантовых компьютерах в качестве носителей информации, представляют собой искусственные атомы. Их энергетические состояния крайне чувствительны к любым внешним воздействиям. Чтобы кубит мог стабильно хранить информацию и выполнять вычисления, его необходимо изолировать от окружающей среды и поддерживать при температурах, предельно близких к абсолютному нулю (около 10-40 милликельвинов). Любое тепловое воздействие извне вызывает декогеренцию — процесс, при котором квантовая система теряет свои свойства и превращается в обычный классический объект.
В то же время классическая тепловая машина не может работать в условиях полной изоляции и постоянной температуры. Ей необходим контролируемый контакт с внешними термостатами — источниками тепла и холода. Чтобы кубит начал работать как тепловой двигатель, его нужно поочередно нагревать и охлаждать.
Физикам требовалось решить сложнейшую задачу: создать систему, которая способна быстро передавать тепло квантовому объекту и забирать его обратно, не разрушая при этом его внутреннюю структуру и не вызывая хаотического перегрева всей микросхемы.
Архитектура экспериментальной установки
Решением проблемы стала концепция так называемой инженерии диссипации. Вместо того чтобы пытаться физически подводить тепло к кубиту от внешних макроскопических нагревателей, исследователи интегрировали все необходимые элементы прямо на поверхность кремниевого чипа.
Экспериментальное устройство состоит из трех основных функциональных блоков:
- Рабочий элемент: сверхпроводящий трансмонный кубит. Это микроскопический контур, уровни энергии которого зависят от параметров подаваемого на него магнитного поля.
- Электронный регулятор температуры: квантовый микрохолодильник (Quantum-Circuit Refrigerator, QCR).
- Измерительная система: резонансный контур, позволяющий бесконтактно определять состояние кубита в любой момент времени.
Ключевым технологическим решением стал квантовый микрохолодильник. Он представляет собой наноразмерную структуру, состоящую из последовательно соединенных слоев нормального металла, изолятора и сверхпроводника (так называемый NIS-переход). Физика этого перехода позволяет точно управлять поведением электронов с помощью внешнего электрического напряжения.
При подаче определенного электрического сигнала на микрохолодильник электроны начинают проходить сквозь изолирующий барьер. Этот процесс строго упорядочен: в одном режиме работы электроны принудительно забирают энергию у кубита в виде микроволновых фотонов, что приводит к его быстрому охлаждению. При изменении параметров сигнала микрохолодильник начинает работать в обратном направлении, передавая энергию кубиту и переводя его в возбужденное, «горячее» состояние. Таким образом, одно небольшое устройство на чипе заменяет собой сразу два температурных резервуара, переключаясь между режимами нагрева и охлаждения за доли микросекунды.
Четыре такта квантового цикла
Экспериментаторы настроили работу установки таким образом, чтобы она циклически проходила четыре стадии, полностью соответствующие классическому термодинамическому циклу Отто.
Структура квантового цикла Отто
Стадия 1: Адиабатическое расширение
- Магнитное поле уменьшает энергетический зазор кубита.
- Энергия передается во внешнюю цепь (совершается работа).
Стадия 2: Изохорное охлаждение
- Частота кубита стабильна.
- Микрохолодильник QCR забирает избыточную энергию.
- Кубит переходит в основное (холодное) состояние.
Стадия 3: Адиабатическое сжатие
- Магнитное поле увеличивает энергетический зазор.
- Внешний источник затрачивает энергию на изменение состояния.
Стадия 4: Изохорный нагрев
- Частота кубита стабильна.
- Микрохолодильник QCR передает кубиту тепловые кванты.
- Кубит возвращается в возбужденное (горячее) состояние.
Рассмотрим физику каждого этапа подробнее:
1. Адиабатический переход к низким энергиям
На первом этапе внешнее магнитное поле плавно изменяет характеристики кубита, уменьшая расстояние между его основным и возбужденным энергетическими уровнями. В физике квантовых систем этот процесс аналогичен расширению рабочего вещества в классическом двигателе. Поскольку расстояние между уровнями уменьшается, кубит отдает избыток энергии в управляющую электрическую цепь. Эта энергия фиксируется приборами как полезная работа, совершенная системой.
2. Охлаждение при постоянных параметрах
Частота кубита фиксируется, после чего активируется квантовый микрохолодильник в режиме охлаждения. Он поглощает тепловые кванты (фотоны), оставшиеся в кубите. В результате вероятность нахождения кубита в нижнем (основном) энергетическом состоянии резко возрастает. Температура квантовой системы снижается до минимального уровня.
3. Адиабатический переход к высоким энергиям
Магнитное поле изменяется в обратном направлении, увеличивая расстояние между энергетическими уровнями кубита. Это требует затрат энергии со стороны внешнего источника управления. Однако, поскольку кубит предварительно был переведен в холодное состояние (то есть находился преимущественно на самом нижнем уровне), затраты энергии на увеличение этого зазора оказываются меньше, чем количество энергии, полученное на первом этапе при его уменьшении. Именно эта разница и составляет чистую полезную работу двигателя.
4. Нагрев при постоянных параметрах
На финальном этапе цикла частота кубита снова остается неизменной, а микрохолодильник переключается в режим нагрева. Он передает кубиту энергию, переводя его в возбужденное состояние с более высокой эффективной температурой. Система возвращается в исходную точку, и цикл повторяется.
Измерения и фиксация результатов
Для того чтобы доказать работоспособность квантового двигателя, физикам требовалось измерить характеристики системы непосредственно в процессе работы. Сделать это обычными методами невозможно, так как любое прямое измерение температуры или энергии разрушает квантовое состояние кубита.
Исследователи применили метод однократного считывания параметров. В конце каждого этапа на измерительный резонатор, связанный с кубитом, подавался сверхслабый микроволновый сигнал. Изменение фазы и амплитуды отраженного сигнала позволяло бесконтактно определить, на каком именно энергетическом уровне находится кубит в данный момент.
Чтобы получить статистически достоверные результаты, физики повторили измерения по 10 000 раз для каждой точки цикла. На основе этих данных были построены графики изменения заселенности энергетических уровней кубита во времени.
Эксперимент продемонстрировал следующие показатели:
- Выделяемая мощность: средняя полезная мощность составила 0,039 электронвольт в секунду (эВ/с). Это крайне малая величина в макроскопических масштабах, но вполне достаточная для фиксации приборами на уровне одиночного кубита.
- Эффективность (КПД): коэффициент полезного действия первого реализованного цикла составил 0,0055 (или 0,55%).
Низкое абсолютное значение эффективности объясняется сознательно выбранными жесткими рамками эксперимента. Диапазон изменения частоты кубита (разница между максимальным и минимальным зазором уровней) составил всего 82,4 МГц, что сильно ограничивало термодинамический потенциал системы. Тем не менее полученное значение КПД составило ровно 27% от теоретического предела, возможного при данных параметрах для квантового цикла Отто.
Важным результатом эксперимента стало то, что реальные показатели работы устройства с высокой точностью совпали с расчетными математическими моделями открытых квантовых систем. Это доказывает, что поведение тепла и работы на наномасштабах подчиняется предсказуемым законам и может быть точно рассчитано заранее.
Почему это важно для технологий будущего?
Эксперимент финских физиков не ставил целью создание практического источника энергии. Квантовый двигатель, работающий на одном кубите, не предназначен для питания внешних устройств. Его значение лежит в сфере создания фундаментальных технологий для квантовых вычислений и наноэлектроники.
Локальное охлаждение квантовых процессоров
Одной из главных проблем при масштабировании квантовых компьютеров является перегрев отдельных элементов процессора. По мере увеличения числа кубитов на одном чипе возрастает интенсивность управляющих сигналов, что неизбежно ведет к выделению тепла. Технология управляемой диссипации, продемонстрированная в эксперименте с QCR, позволяет создавать встроенные локальные системы охлаждения. Такие микрохолодильники смогут точечно забирать тепло у конкретных кубитов прямо во время вычислений, предотвращая появление ошибок и продлевая время жизни квантовой информации.
Быстрый сброс состояний (инициализация)
Перед началом любых вычислений квантовый процессор необходимо перевести в строго определенное начальное состояние (обычно нулевое). Естественный процесс остывания кубита за счет взаимодействия с окружающей средой занимает слишком много времени по меркам микромира. Использование управляемого термостата, способного принудительно забирать энергию у кубита за наносекунды, позволяет мгновенно «сбрасывать» процессор в исходное состояние, что существенно повышает общую скорость вычислений.
Понимание фундаментальных законов природы
Эксперимент наглядно показал, где именно проходит граница между квантовым и классическим описанием термодинамических процессов. Физикам удалось доказать, что даже когда рабочее вещество состоит всего из одного искусственного атома, термодинамические циклы продолжают работать. Это открывает новые возможности для исследования фундаментальных вопросов физики — например, взаимосвязи между информацией и энергией на самом глубоком уровне строения материи.
Источник: Nature Communications
0 комментариев
Добавить комментарий