Представи си нещото най-малкото, с което си играл като дете — мравката, прашинката, зрънцето ориз. Сега смали това още няколко милиарда пъти. Това е квантовата скала — мястото, където атомите и електроните се държат напълно различно от всичко, с което сме свикнали в ежедневието.
Сега си представи двигател на това ниво. Мъничък механизъм, който превръща топлина в работа — също като двигателя на колата ти, но без бутала, без бензин, без каквото и да е познато ниво.
Точно това са създали учени от Университета Аалто във Финландия. И да — това е доста вълнуваща новина.
Защо ни пука?
Квантовите компютри са невероятно обещаващи. И невероятно трудни за изграждане. За да работят правилно, трябва да ги охлаждаме до температури, по-студени от космоса. Става дума за части от градуса над абсолютната нула — около минус 273°C. Замисли се върху това.
Съоръженията, които поддържат такива температури, са скъпи, сложни и имат своите ограничения. Тук идва тази разработка. Тя не е готова да замени съществуващите охладителни системи утре. Но е важна стъпка към по-прости и интегрирани квантови компютри.
Квантовият цикъл на Ото
Учените направиха миниатюрен двигател, който работи по цикъла на Ото — същият термодинамичен процес, който движи колата ти. Само дето всичко се случва на квантово ниво и при температури, близки до абсолютната нула.
В сърцето на устройството стои нещо, наречено трансмон кубит. Ако си чувал за квантови компютри, сигурно си чувал и за кубити. Те са квантовият еквивалент на обикновените битове в компютъра ти. Само дето обикновеният бит е 0 или 1. Кубитът може да бъде и двете едновременно — благодарение на квантовата суперпозиция.
Какво прави този двигател специален? Контролът. Екипът използва квантов хладилник — схема, която загрява и охлажда кубита по команда. Така се получава затворена система, която сама управлява термодинамичния си цикъл, без да се нуждае от отделни гореща и студена среда.
Мост между два свята
Това ме впечатлява най-много. Тук се пресичат две големи области на физиката. Термодинамиката — науката за топлината и енергията, която управлява всичко от парните машини до хладилника. И квантовата механика — теорията за странното поведение на частиците в най-малките мащаби.
Термодинамиката я разбираме на голямо ниво. Топлото преминава към студеното. Двигателите превръщат топлинна енергия в работа. Тези принципи са познати от векове.
Но какво става, когато смалим всичко до квантово ниво? Където частиците могат да преминават през бариери, да бъдат заплетени на разстояние, да съществуват в няколко състояния едновременно?
Точно това се опитват да разберат учените. И този квантов топлинен двигател им помага да изследват тези въпроси.
Какво следва?
Екипът работи върху подобряване на ефективността и добавяне на автономност. Една интересна възможност е да се използва технологията за отчитане на състоянието на кубитите, без да се налага да се изпращат микровълнови сигнали от ултрастудените температури чак до стайна температура.
Помисли какво означава това. Сега квантовите компютри са огромни съоръжения с разклонени кабели, които свързват квантовия процесор с класическата електроника за управление. Ако опростим тази връзка, бихме могли да строим много по-големи квантови компютри с по-малко сложност и по-ниски разходи.
Това все още е ранен етап. Вероятно са нужни години, преди тези двигатели да влязат в практически изчислителни системи. Но точно така започват всички големи технологични пробиви — с експерименти, които изглеждат почти невероятно абстрактни, докато един ден не променят всичко.
Фактът, че вече имаме работещ квантов топлинен двигател в свръхпроводяща верига, е една от онези първи стъпки, върху които историците може един ден да погледнат като начало на нещо голямо. Или поне е наистина яко доказателство, че правилата на термодинамиката важат и когато увеличиш квантовото ниво — просто изглеждат малко по-различно.
Лично аз съм искрено любопитен накъде ще тръгне това. Ако и ти се вълнуваш от квантовите технологии, това определено е една от историите, които си струва да следиш.