Eenminuscuul motortje dat warmte omzet in werk — op quantumschaal

Stel je eens voor: een motor zo klein dat hij werkt op quantumniveau — dat gekke rijk waar atomen en elektronen zich niets aantrekken van de regels die gelden voor alledaagse voorwerpen. En die motortje zet gewoon warmte om in bruikbaar werk, net als de motor onder je motorkap. Alleen draait het allemaal op quantumeffecten in plaats van zuigers en benzine.

Precies dat hebben onderzoekers van de Aalto Universiteit in Finland voor elkaar gekregen. En dat is stuff waar je even stil van wordt.

Waarom dit belangrijk is

Quantummachines zijn geweldig, maar ook ongelooflijk lastig om te bouwen. Om goed te functioneren moeten ze gekoeld worden tot temperaturen kouder dan de ruimte — een paar honderdste graad boven het absolute nulpunt, zo'n -273°C. Dat isSerieus, dat is afgrissen koud.

De apparaten die quantumblektronen zo koud houden zijn peperduur en ingewikkeld. En ze hebben zo hun eigen beperkingen. Daarom is deze nieuwe quantummotor zo'n interessante ontwikkeling. Hij gaat die koelsystemen heus niet meteen vervangen, maar het is wel een flinke stap richting eenvoudigere en meer geïntegreerde quantumhardware.

Ontmoet de quantummotor

De onderzoekers hebben een minuscuul motortje gebouwd dat draait op de Otto-cyclus — ja, dezelfde thermodynamische cyclus als in je auto — maar dan op quantumniveau en vlakbij het absolute nulpunt.

Het hart van hun apparaatje is een transmon qubit. Als je wel eens over quantumcomputers hebt gelezen, ken je qubit waarschijnlijk al. Qubits zijn de quantumversie van de gewone bits in je computer. Waar een gewone bit ofwel 0 ofwel 1 is, kan een qubit door quantumsuperpositie in beide toestanden tegelijk verkeren.

Wat deze motor bijzonder maakt, is hoe hij wordt aangestuurd. Het team gebruikte een quantumcircuit-koelkastje om de qubit naar believen te verwarmen én te koelen. Zo ontstond een zelfvoorzienend systeempje dat zijn eigen thermodynamische cyclus kan aandrijven, zonder aparte warme en koude omgevingen zoals traditionele motoren die nodig hebben.

Twee werelden verbonden

Wat me aan dit onderzoek het meest fascineert: het overbrugt de kloof tussen thermodynamica — de fysica van warmte en energie die alles regelt, van stoommachines tot koelkasten — en quantummechanica, die de vreemde gedragingen beschrijft van de allerkleinste deeltjes.

Thermodynamica kennen we allemaal van het dagelijks leven. Warmte stroomt van heet naar koud. Motoren zetten thermische energie om in werk. Die principes begrijpen we al eeuwen. Maar wat gebeurt er als je alles terugschroeft naar het quantumdomein, waar deeltjes door barrières kunnen tunnelen, verstrengeld raken over grote afstanden en in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan?

Daar proberen onderzoekers achter te komen, en deze quantummotor helpt om die vragen te verkennen.

De weg vooruit

Wat komt er nu? De onderzoekers werken aan een efficiëntere versie en willen de motor autonomer maken. Een spannende mogelijkheid is deze technologie te gebruiken om qubit-toestanden uit te lezen zonder microgolfsignalen te hoeven sturen van die ijskoude temperaturen helemaal naar kamertemperatuur.

Denk daar even over na. Op dit moment zijn quantumcomputers essentially grote apparaten met ingewikkelde bedrading om de communicatie tussen de quantumprocessor en de klassieke elektronica te regelen. Als we die interface kunnen vereenvoudigen, kunnen we potentieel veel grotere quantumcomputers bouwen met minder complexiteit en lagere kosten.

Dit is nog vroege fase onderzoek, en het zal nog wel even duren voor deze quantummotoren praktisch worden ingezet. Maar zo beginnen alle grote doorbraken — met experimenten die bijna onbegrijpelijk abstract lijken, totdat ze plotseling alles veranderen.

Het feit dat we nu een werkende quantummotor hebben die draait in een supergeleidend circuit, is zo'n eerste stap waar historici later misschien naar zullen verwijzen als het begin van iets groters. Of op z'n minst is het een ontzettend gave demonstratie dat de wetten van de thermodynamica gewoon blijven gelden als je inzoomt tot het quantum niveau — ze zien er alleen net even anders uit.

Ik ben oprecht benieuwd waar dit onderzoek naartoe gaat. Als jij net zo'n quantumfanaat bent als ik, dan is dit zeker een verhaal om in de gaten te houden.