Tulevaisuuden moottori: Kun lämpö muuttuu hyödyksi kvanttitasolla

Haluan sinun kuvittelevan jotain. Pieni moottori, joka toimii atomien ja elektronien maailmassa — siellä missä fysiikan lait ovat täysin erilaisia kuin arkielämässä. Tämä moottori muuttaa lämpöä hyödylliseksi työksi, aivan kuten autosi moottori. Mutta mäntien ja bensiinin sijaan se käyttää kvanttimekaniikkaa.

Tämä ei ole tiedettäväiskirjallisuutta. Tutkijat Aalto-yliopistossa Suomessa ovat juuri rakentaneet sellaisen.

Miksi tämä on merkittävää?

Kvanttitietokoneet lupaavat mullistavaa laskentatehoa. Mutta niiden rakentaminen on äärimmäisen vaikeaa. Ne vaativat jäähdytystä kylmemmäksi kuin avaruus — murto-osia asteesta absoluuttisen nollan yläpuolella, eli noin -273 celsiusastetta.

Nykyiset jäähdytysjärjestelmät ovat kalliita, monimutkaisia ja rajoittuneita. Tässä kohtaa uusi kvanttimoottori astuu kuvaan. Se ei korvaa nykyisiä jäähdytysjärjestelmiä huomenna, mutta se on askel kohti yksinkertaisempaa ja integroituneempaa kvanttilaskentaa.

Kvantti-Ottomoottori

Tutkijaryhmä loi pienen moottorin, joka hyödyntää niin sanottua Otto-kiertoa — samaa termodynaamista prosessia, joka pyörittää autosi polttomoottoria. Ero on vain siinä, että tämä toimii kvanttiskaalalla ja lähellä absoluuttista nollapistettä.

Laitteen ytimessä on transmon-kubitti. Kubitit ovat kvanttitietokoneiden perusosasia. Toisin kuin tavalliset bitit, jotka ovat joko 0 tai 1, kubitit voivat olla molemmissa tiloissa yhtä aikaa kvanttimekaniikan superpositioperiaatteen ansiosta.

Mielenkiintoisin yksityiskohta on ohjaustapa. Tiimi käytti kvanttipiirijäähdytintä lämmittämään ja jäähdyttämään kubittia tarpeen mukaan. Syntyi itsenäinen järjestelmä, joka pyörittää omaa termodynaamista kiertoaan ilman erillisiä kuumia ja kylmiä ympäristöjä.

Kaksi maailmaa kohtaavat

Tämä tutkimus kiehtoo minua erityisesti yhdestä syystä: se siltaa termodynamiikan ja kvanttimekaniikan.

Kaikki tuntevat termodynamiikan arjesta. Lämpö virtaa kuumasta kylmään. Moottorit muuttavat lämpöenergiaa työksi. Nämä periaatteet on ymmärretty vuosisatoja.

Mutta mitä tapahtuu, kun kaikki kutistetaan kvanttimekaniikan maailmaan, jossa hiukkaset voivat tunneloitua esteiden läpi, olla lomittuneita etäisyyksien yli ja existence useissa tiloissa samanaikaisesti?

Tätä tutkijat pyrkivät selvittämään. Tämä kvanttimoottori auttaa.

Mitä seuraavaksi?

Tutkijat kehittävät moottoria tehokkaammaksi ja mahdollisesti autonomiseksi. Yksi jännittävä mahdollisuus: teknologia voisi lukea kubittien tiloja ilman mikroaaltosignaalien lähettämistä ultrakylmistä lämpötiloista huoneenlämpöön asti.

Kuvaa, mitä tämä tarkoittaisi käytännössä. Nykyiset kvanttitietokoneet ovat valtavia rakennelmia, joissa on mutkikas johdotus käsittelemässä viestintää kvanttiprosessorin ja klassisen elektroniikan välillä. Jos tämä rajapinta saataisiin yksinkertaisemmaksi, voisimme rakentaa paljon suurempia kvanttitietokoneita pienemmillä kustannuksilla ja yksinkertaisemmalla rakenteella.

Tämä on varhaisen vaiheen tutkimusta. Voi mennä vuosia ennen kuin näemme näitä moottoreita käytännön laskentajärjestelmissä. Mutta näinhän kaikki suuret läpimurrot alkavat — kokeina, jotka vaikuttavat lähes mahdottomilta, kunnes yhtäkkiä ne muuttavat kaiken.

Toimiva kvanttimoottori suprajohtavassa piirissä on yksi niistä "ensimmäisistä askeleista", joihin tulevaisuuden historioitsijat saattavat viitata. Tai ainakin se on hienoa osoitus siitä, että termodynamiikan lait pätevät myös kvantitasolla — ne vain näyttävät vähän erilaisilta.

Olen aidosti utelias, mihin tämä tutkimus johtaa. Jos kvanttimekaniikka kiehtoo sinua yhtä paljon kuin minua, tämä on tarina, jota kannattaa seurata.