Hőmotor a kvantumvilágban – az Aalto Egyetem újítása

Képzeld el, hogy van egy aprócska motorod. Olyan kicsi, hogy a kvantumléptékben működik – ott, ahol az atomok és elektronok egészen másképp viselkednek, mint a mindennapi tárgyak. Most képzeld el, hogy ez a parányi szerkezet hőt alakít hasznos munkává. Mint az autód motorja, csak éppen kvantummechanikával, dugattyúk és benzin nélkül.

A finnországi Aalto Egyetem kutatói épp ezt hozták létre. És hát, őszintén szólva, ez igazán izgalmas hír a jövő számítógépei szempontjából.

Miért fontos ez?

A kvantumszámítógépek hatalmas ígéretet jelentenek. De építeni őket rendkívül nehéz. A működésükhöz olyan hőmérsékletre kell hűteni őket, ami hidegebb a világűrnél. A nulla foktól számítva mindössze néhány tized fokra az abszolút nullától – vagyis mínusz 273 Celsius-fok körülire. Elképesztően hideg.

Ezeket a hűtőrendszereket drága és bonyolult gépek működtetik. Ráadásul maguknak is vannak korlátaik. Itt jön képbe az új kvantum-hőmotor. Nem fogja holnap lecserélni ezeket a hűtőrendszereket. De az integrált, egyszerűbb kvantumszámítógép-hardver felé vezető út egyik fontos állomása lehet.

Bemutatom a kvantum-Otto-ciklust

A kutatók lényegében egy parányi motort építettek. Az úgynevezett Otto-ciklust használja – ezt a folyamatot ismerjük az autók belső égésű motorjaiból. Csakhogy ez a verzió kvantumléptékben működik, közel az abszolút nullához.

A szerkezet közepén egy transmon qubit található. Ha hallottál már kvantumszámítógépekről, a qubit sem ismeretlen fogalom. A hagyományos bitek kvantum-megfelelői ezek. A különbség hatalmas: amíg egy hagyományos bit vagy 0, vagy 1, addig a qubit mindkét állapotban egyszerre létezhet. Ez a kvantum-szuperpozíció.

A különlegesség a vezérlésben rejlik. A csapat egy kvantum áramkörű hűtőt használt. Ezzel tudták szabályozni a qubit hőmérsékletét igény szerint. Fűteni és hűteni is tudták, ahogy kell. Lényegében egy önmagában zárt rendszer jött létre. Nincs szükség külön meleg és hideg környezetre, mint a hagyományos motoroknál.

Két világ összekötése

A kutatás igazán érdekes része ez: hidat épít a termodinamika és a kvantummechanika között.

A termodinamikát mindenki ismeri a mindennapokból. A hő a melegebbtől a hidegebbfelé áramlik. A motorok a hőenergiát munkává alakítják. Ezek az elvek évszázadok óta ismertek.

De mi történik, ha mindent lekicsinyítünk a kvantumvilágra, ahol a részecskék áthaladhatnak falakon, összefonódhatnak távoli távolságokon, és egyszerre több állapotban létezhetnek?

Pont ezt próbálják kideríteni a kutatók. Ez a kvantum hőmotor segít a kérdések megválaszolásában.

Mi következik?

A következő lépés a hatékonyság növelése és az önállóbb működés kialakítása. Az egyik izgalmas lehetőség: a qubit-állapotok leolvasása mikrohullámú jelek nélkül. Jelenleg ugyanis a kvantumszámítógépek hatalmas, bonyolult szerkezetek. Rengeteg vezeték kezeli a kapcsolatot a kvantum-processzor és a szobahőmérsékletű klasszikus elektronika között.

Ha egyszerűsíteni lehetne ezt a felületet, nagyobb kvantumszámítógépeket lehetne építeni. Kevesebb komplexitással, alacsonyabb költségekkel.

Még korai stádiumban vagyunk. Valószínűleg évekbe telik, mire ez a technológia gyakorlati rendszerek részévé válik. De minden nagy áttörés így kezdődik. Kísérletekkel, amelyek szinte elképzelhetetlennek tűnnek – amíg egyszer csak megváltoztatnak mindent.

Az, hogy már van egy működő kvantum hőmotor szupravezető áramkörben, az a fajta első lépés, amire a történészek majd visszatekintenek. Vagy minimum egy nagyon klassz bizonyíték arra, hogy a termodinamika szabályai a kvantumszinten is érvényesek. Csak kicsit másképp néznek ki.

Kíváncsian várom, merre fejlődik ez a kutatás. Ha téged is lenyűgöz a kvantumtechnológia, érdemes figyelni ezt a történetet.