- 28,260
- 46
- 8 Ноя 2022
Физики впервые заставили сверхпроводящую тепловую машину многократно повторить полный рабочий цикл.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Крошечный двигатель, работающий почти при абсолютном нуле, впервые превратил тепло в полезную энергию прямо внутри сверхпроводящей квантовой схемы. Исследователи из Университета Аалто построили циклическую квантовую тепловую машину, которая может помочь создавать более крупные квантовые компьютеры с меньшим количеством внешних управляющих линий.
Квантовые тепловые машины появлялись и раньше, поэтому речь не идёт о первом подобном устройстве в истории. Финская команда первой экспериментально реализовала полный повторяющийся цикл в сверхпроводящей схеме. Такой подход особенно интересен для квантовых компьютеров, где сверхпроводящие кубиты уже входят в число основных технологических платформ.
Обычный тепловой двигатель получает энергию за счёт разницы температур и превращает часть тепла в механическую работу. По схожему принципу работают автомобильные моторы, турбины электростанций и паровые машины. В новом эксперименте роль рабочего тела выполнял трансмон, один из распространённых видов сверхпроводящих кубитов.
Учёные поместили схему в криостат и охладили почти до абсолютного нуля. К трансмону подключили резонатор и квантовый холодильник, способный по команде нагревать или охлаждать кубит. Напряжение на холодильнике меняло поток энергии, поэтому один компонент заменил сразу два отдельных источника тепла и холода.
Двигатель работал по циклу Отто, который лежит в основе многих двигателей внутреннего сгорания. Сначала исследователи снижали частоту переходов кубита, позволяя системе совершить работу. Затем квантовый холодильник отводил тепло. После сжатия, при котором частота снова повышалась, холодильник нагревал кубит и возвращал схему в исходное состояние. Последовательность можно было повторять снова.
Команда проследила за тремя последовательными циклами, считывая состояние кубита после каждого этапа. Для одной точки измерений физики выполняли 10 тысяч отдельных считываний, а затем рассчитывали среднюю энергию, поглощённое тепло и произведённую работу. Экспериментальные результаты совпали с компьютерным моделированием и показали положительную выходную мощность. Иными словами, схема действительно преобразовала часть теплового потока в работу, а не просто имитировала нужную последовательность состояний.
Практической мощности установка пока не даёт. Средний показатель составил лишь 0,039 электронвольта в секунду, а измеренный коэффициент полезного действия достиг примерно 0,55%. Значение соответствует 27% от теоретического предела цикла Отто для выбранных параметров. Моделирование показало, что после выхода на устойчивый режим эффективность может приблизиться к 2,2%. Авторы прямо признают, что нынешняя версия служит доказательством работоспособности идеи и пока не подходит для прикладных задач.
Главная перспектива связана не с выработкой энергии, а с управлением квантовыми процессорами. Современные сверхпроводящие компьютеры используют множество микроволновых линий, которые связывают охлаждённые кубиты с оборудованием при комнатной температуре. По мере роста числа кубитов кабели усложняют конструкцию, повышают стоимость системы и создают дополнительные источники шума.
Исследователи планируют превратить экспериментальную установку в автономное устройство, способное самостоятельно выполнять отдельные операции внутри охлаждённой схемы. Квантовый тепловой двигатель, например, сможет участвовать в считывании или подготовке состояний кубитов без передачи каждого управляющего сигнала наружу. Такой подход потенциально сократит количество кабелей и упростит создание процессоров с сотнями тысяч физических кубитов.
Работа также даёт физикам новую площадку для проверки квантовой термодинамики. Сверхпроводящая схема позволяет точно управлять температурой, потоком тепла и энергетическими уровнями кубита, а затем сравнивать наблюдения с теоретическими моделями. Следующие эксперименты помогут выяснить, способны ли квантовая суперпозиция, интерференция и другие эффекты повысить эффективность микроскопических тепловых машин.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Крошечный двигатель, работающий почти при абсолютном нуле, впервые превратил тепло в полезную энергию прямо внутри сверхпроводящей квантовой схемы. Исследователи из Университета Аалто построили циклическую квантовую тепловую машину, которая может помочь создавать более крупные квантовые компьютеры с меньшим количеством внешних управляющих линий.
Квантовые тепловые машины появлялись и раньше, поэтому речь не идёт о первом подобном устройстве в истории. Финская команда первой экспериментально реализовала полный повторяющийся цикл в сверхпроводящей схеме. Такой подход особенно интересен для квантовых компьютеров, где сверхпроводящие кубиты уже входят в число основных технологических платформ.
Обычный тепловой двигатель получает энергию за счёт разницы температур и превращает часть тепла в механическую работу. По схожему принципу работают автомобильные моторы, турбины электростанций и паровые машины. В новом эксперименте роль рабочего тела выполнял трансмон, один из распространённых видов сверхпроводящих кубитов.
Учёные поместили схему в криостат и охладили почти до абсолютного нуля. К трансмону подключили резонатор и квантовый холодильник, способный по команде нагревать или охлаждать кубит. Напряжение на холодильнике меняло поток энергии, поэтому один компонент заменил сразу два отдельных источника тепла и холода.
Двигатель работал по циклу Отто, который лежит в основе многих двигателей внутреннего сгорания. Сначала исследователи снижали частоту переходов кубита, позволяя системе совершить работу. Затем квантовый холодильник отводил тепло. После сжатия, при котором частота снова повышалась, холодильник нагревал кубит и возвращал схему в исходное состояние. Последовательность можно было повторять снова.
Команда проследила за тремя последовательными циклами, считывая состояние кубита после каждого этапа. Для одной точки измерений физики выполняли 10 тысяч отдельных считываний, а затем рассчитывали среднюю энергию, поглощённое тепло и произведённую работу. Экспериментальные результаты совпали с компьютерным моделированием и показали положительную выходную мощность. Иными словами, схема действительно преобразовала часть теплового потока в работу, а не просто имитировала нужную последовательность состояний.
Практической мощности установка пока не даёт. Средний показатель составил лишь 0,039 электронвольта в секунду, а измеренный коэффициент полезного действия достиг примерно 0,55%. Значение соответствует 27% от теоретического предела цикла Отто для выбранных параметров. Моделирование показало, что после выхода на устойчивый режим эффективность может приблизиться к 2,2%. Авторы прямо признают, что нынешняя версия служит доказательством работоспособности идеи и пока не подходит для прикладных задач.
Главная перспектива связана не с выработкой энергии, а с управлением квантовыми процессорами. Современные сверхпроводящие компьютеры используют множество микроволновых линий, которые связывают охлаждённые кубиты с оборудованием при комнатной температуре. По мере роста числа кубитов кабели усложняют конструкцию, повышают стоимость системы и создают дополнительные источники шума.
Исследователи планируют превратить экспериментальную установку в автономное устройство, способное самостоятельно выполнять отдельные операции внутри охлаждённой схемы. Квантовый тепловой двигатель, например, сможет участвовать в считывании или подготовке состояний кубитов без передачи каждого управляющего сигнала наружу. Такой подход потенциально сократит количество кабелей и упростит создание процессоров с сотнями тысяч физических кубитов.
Работа также даёт физикам новую площадку для проверки квантовой термодинамики. Сверхпроводящая схема позволяет точно управлять температурой, потоком тепла и энергетическими уровнями кубита, а затем сравнивать наблюдения с теоретическими моделями. Следующие эксперименты помогут выяснить, способны ли квантовая суперпозиция, интерференция и другие эффекты повысить эффективность микроскопических тепловых машин.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
