Ένας κινητήρας που παίζει με την κβαντομηχανική
Φαντάσου έναν κινητήρα τόσο μικροσκοπικό που λειτουργεί σε ατομικό επίπεδο — εκεί όπου τα ηλεκτρόνια και τα άτομα συμπεριφέρονται εντελώς διαφορετικά από ό,τι ξέρουμε στην καθημερινότητα. Τώρα, φαντάσου ότι αυτός ο μικροσκοπικός κινητήρας μετατρέπει τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία, όπως ο κινητήρας του αυτοκινήτου σου — αλλά χωρίς έμβολα και βενζίνη.
Αυτό ακριβώς κατάφεραν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Aalto της Φινλανδίας, και πιστέψτε με, είναι συναρπαστικό.
Γιατί έχει σημασία
Τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα είναι εξαιρετικά υποσχόμενα, αλλά δύσκολα στην κατασκευή. Πρέπει να ψύχονται σε θερμοκρασίες ψυχρότερες από το διάστημα — κλάσματα του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, δηλαδή γύρω στους -273°C.
Οι μηχανές που διατηρούν αυτές τις θερμοκρασίες είναι ακριβές και περίπλοκες. Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι ο νέος κβαντικός θερμικός κινητήρας. Δεν θα αντικαταστήσει τα υπάρχοντα συστήματα ψύξης αύριο, αλλά ανοίγει το δρόμο για απλούστερη και πιο ολοκληρωμένη κβαντική υλικό.
Ο Κβαντικός Κύκλος Otto
Οι ερευνητές έφτιαξαν έναν μικροσκοπικό κινητήρα που λειτουργεί με τον λεγόμενο κύκλο Otto — την ίδια θερμοδυναμική διαδικασία που κινεί τον κινητήρα εσωτερικής καύσης του αυτοκινήτου σου, αλλά σε ατομική κλίμακα και κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Στην καρδιά της συσκευής βρίσκεται ένα transmon qubit. Τα qubits είναι η κβαντική εκδοχή των bits που ξέρουμε από τους υπολογιστές — με μια κρίσιμη διαφορά: αντί να είναι μόνο 0 ή 1, τα qubits μπορούν να υπάρχουν και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, χάρη στην κβαντική υπέρθεση.
Το ξεχωριστό στοιχείο είναι ο τρόπος ελέγχου. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα κβαντικό κύκλωμα ψύξης για να θερμαίνει και να ψύχει το qubit κατά παραγγελία, δημιουργώντας έτσι ένα αυτόνομο σύστημα που δεν χρειάζεται ξεχωριστό θερμό και ψυχρό περιβάλλον.
Η Γέφυρα Δύο Κόσμων
Αυτό που με ενθουσιάζει ιδιαίτερα είναι η σύνδεση δύο φαινομενικά διαφορετικών κόσμων: της θερμοδυναμικής — της φυσικής που περιγράφει τη θερμότητα και την ενέργεια — και της κβαντομηχανικής, που περιγράφει την παράξενη συμπεριφορά των σωματιδίων σε μικροσκοπική κλίμακα.
Όλοι ξέρουμε τη θερμοδυναμική σε μακροσκοπικό επίπεδο. Η θερμότητα ρέει από το ζεστό προς το κρύο. Οι κινητήρες μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε έργο. Αυτές οι αρχές είναι γνωστές εδώ και αιώνες. Αλλά τι συμβαίνει όταν σμικρύνουμε τα πάντα σε ατομική κλίμακα, όπου τα σωματίδια μπορούν να περνούν μέσα από εμπόδια και να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα;
Αυτό ακριβώς προσπαθούν να ανακαλύψουν οι ερευνητές, και αυτός ο κβαντικός θερμικός κινητήρας μας βοηθά να εξερευνήσουμε αυτά τα ερωτήματα.
Τι Ακολουθεί
Οι ερευνητές εργάζονται για να κάνουν τον κινητήρα πιο αποδοτικό και πιθανώς αυτόνομο. Μια ενδιαφέρουσα προοπτική είναι η χρήση αυτής της τεχνολογίας για την ανάγνωση της κατάστασης των qubits, χωρίς να χρειάζεται να στέλνονται μικροκυματικά σήματα από τις υπερψυχρές θερμοκρασίες μέχρι τη θερμοκρασία δωματίου.
Σκέψου τι σημαίνει αυτό. Σήμερα, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ουσιαστικά τεράστιες κατασκευές με πολύπλοκη καλωδίωση για την επικοινωνία μεταξύ του κβαντικού επεξεργαστή και των κλασικών ηλεκτρονικών ελέγχου. Αν μπορούμε να απλοποιήσουμε αυτή τη διεπαφή, θα μπορούσαμε να χτίσουμε πολύ μεγαλύτερους κβαντικούς υπολογιστές με λιγότερη πολυπλοκότητα και χαμηλότερο κόστος.
Είναι ακόμα πρώιμη έρευνα και πιθανώς απέχουμε χρόνια από την ενσωμάτωση αυτών των κινητήρων σε πρακτικά υπολογιστικά συστήματα. Αλλά έτσι ξεκινούν όλες οι μεγάλες τεχνολογικές επαναστάσεις — με πειράματα που φαίνονται σχεδόν αδύνατα, μέχρι που ξαφνικά αλλάζουν τα πάντα.
Το γεγονός ότι τώρα διαθέτουμε έναν λειτουργικό κβαντικό θερμικό κινητήρα σε υπεραγώγιμο κύκλωμα είναι ένα από εκείνα τα "πρώτα βήματα" που μπορεί κάποτε να φανούν ως η αρχή κάτι μεγάλου. Ή τουλάχιστον, είναι μια εντυπωσιακή απόδειξη ότι οι κανόνες της θερμοδυναμικής ισχύουν ακόμα και σε κβαντικό επίπεδο — απλά δείχνουν λίγο διαφορετικοί.
Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε πού θα οδηγήσει αυτή η έρευνα. Αν σε ενθουσιάζει η κβαντική τεχνολογία όσο και εμένα, αυτή είναι σίγουρα μια ιστορία που αξίζει να παρακολουθείς.