O echipă din Finlanda a construit un dispozitiv care sună ca un oximoron: un motor termic care funcționează la temperaturi apropiate de zero absolut, unde practic nu mai există căldură. Este primul motor termic cuantic ciclic realizat într-un circuit superconductor, iar consecința practică ar putea fi eliminarea a milioane de cabluri de microunde din viitoarele calculatoare cuantice.
Un motor termic cuantic cât un cip, alimentat de firimituri de căldură
Cercetătorii de la Universitatea Aalto au combinat trei elemente pe același circuit: un qubit transmon, un rezonator și un frigider cuantic. Ansamblul, nanofabricat și răcit într-un criostat, a reușit să transforme cantitatea minusculă de căldură disponibilă în lucru mecanic util, în mod repetat, ciclu după ciclu. Studiul, coordonat de profesorul Mikko Möttönen, a fost publicat în revista Nature Communications, iar primul autor este Tuomas Uusnäkki.
Operarea ciclică era exact obiectivul greu de atins în acest domeniu. Demonstrațiile anterioare de motoare termice cuantice reușeau, de regulă, o singură cursă sau funcționau în regimuri care nu se puteau repeta controlat.
„În experimentul nostru am construit un motor termic nanofabricat folosind circuite superconductoare și l-am operat într-un criostat aproape de zero absolut. În centrul lui se află un qubit transmon, una dintre componentele de bază ale tehnologiilor cuantice moderne.”
Tuomas Uusnäkki, primul autor al studiului, Universitatea Aalto
Ciclul Otto, mutat în regim cuantic
Pentru a face motorul să funcționeze, echipa a reprodus în circuitul superconductor un ciclu Otto, același proces termodinamic care stă la baza motoarelor cu benzină, descris de inginerul german Nikolaus Otto în secolul al XIX-lea. Diferența față de un motor clasic este că, în mod normal, ai nevoie de două rezervoare separate, unul cald și unul rece. Aici, același frigider cuantic joacă ambele roluri.
„Frigiderul nostru cu circuit cuantic poate fi reglat astfel încât să încălzească și să răcească qubitul la cerere. Folosind impulsuri de control sincronizate cu grijă, am condus motorul într-un ciclu Otto și am monitorizat starea qubitului în timp ce motorul funcționa.”
PublicitateTuomas Uusnäkki
Măsurătorile au arătat că fluxul de căldură care trecea prin qubit în timpul ciclului producea lucru pozitiv, adică motorul chiar livra energie utilă, nu doar consuma.
„Aceasta este prima demonstrație experimentală a unui motor termic cuantic ciclic în circuite superconductoare. Folosirea unui singur frigider cuantic controlabil, atât ca mediu cald, cât și ca mediu rece al motorului, îl face mai simplu și mai versatil.”
Tuomas Uusnäkki
Publicitate
Unde apare, de fapt, câștigul practic
Partea cu adevărat interesantă pentru industrie nu ține de termodinamică, ci de cablaj. Într-un calculator cuantic superconductor, fiecare qubit are nevoie de linii de control și de citire care coboară din exteriorul instalației, aflat la temperatura camerei, până în zona rece, la câțiva milikelvini. Fiecare astfel de cablu de microunde adaugă cost, ocupă spațiu și introduce zgomot în sistem.
Un motor termic autonom, integrat direct în circuit, ar putea prelua sarcina de citire a qubiților fără să mai fie nevoie de un impuls de microunde adus tocmai de la temperatura camerei. Möttönen pune cifrele pe masă.
„Strategia finlandeză pentru tehnologii cuantice prevede un calculator cuantic cu o mie de qubiți logici până în 2035, ceea ce înseamnă probabil sute de mii de qubiți fizici. Realizarea acestui obiectiv cu tehnologia actuală ar necesita milioane de cabluri de microunde, fiecare costând o mie de euro. Cablurile introduc și zgomot în sistem. Folosirea unor dispozitive autonome ar elimina, în cea mai mare parte, nevoia de aceste cabluri.”
Mikko Möttönen, profesor la Universitatea Aalto
Publicitate
Raportul dintre qubiți fizici și qubiți logici explică de ce cifrele urcă atât de repede: corecția erorilor cuantice consumă, în arhitecturile actuale, ordinul a mii de qubiți fizici pentru un singur qubit logic stabil. De aici și așa-numita problemă de intrare-ieșire, recunoscută drept unul dintre obstacolele majore în scalarea procesoarelor superconductoare, alături de fidelitatea porților logice.
Termodinamica întâlnește mecanica cuantică
Dincolo de aplicații, experimentul atinge o întrebare de fond. Mecanica cuantică descrie comportamentul materiei la scări extrem de mici, chiar sub dimensiunea atomilor, în timp ce termodinamica a fost construită pentru sisteme mari, de la colecții de molecule până la univers. Ce se întâmplă cu procesele termodinamice familiare atunci când în ecuație intră tunelarea, suprapunerea și întrepătrunderea cuantică rămâne un teren în mare parte neexplorat, iar dispozitivele de acest tip oferă un banc de testare concret.
Qubitul transmon, componenta centrală a experimentului, a fost propus în 2007 la Universitatea Yale și a devenit între timp arhitectura dominantă pentru procesoarele cuantice construite de Google, IBM sau de companii europene precum finlandeza IQM, apărută din ecosistemul Aalto. Frigiderul cuantic pe circuit este, la rândul lui, o dezvoltare a grupului lui Möttönen, bazată pe tunelarea electronilor asistată de fotoni într-o joncțiune între metal normal, izolator și superconductor.
Experimentul a fost realizat în cadrul OtaNano, infrastructura națională de cercetare a Finlandei pentru nanotehnologie, microtehnologie și tehnologii cuantice, cu finanțare de la Consiliul Finlandez pentru Cercetare și de la Fundația Culturală Finlandeză. Următorul pas anunțat de echipă este un motor complet autonom, care să nu mai depindă de impulsuri de control venite din exterior.
Pe teme conexe am scris despre materialul cuantic 2D realizat de fizicieni finlandezi, despre felul în care calculatoarele cuantice schimbă inteligența artificială și despre avertismentul Google privind ziua în care calculatoarele cuantice vor sparge criptografia actuală.
Surse: studiul publicat în Nature Communications (DOI 10.1038/s41467-026-72651-x) și comunicatul Universității Aalto.
