Ensimmäinen suprajohtava kvanttilämpökone osoittaa, että lämpö voidaan valjastaa työksi myös kvanttimaailmassa

Viime vuosina fyysikot ovat alkaneet ymmärtää miten klassisen termodynamiikan periaatteita voi soveltaa kvanttimaailmaan. Se voi sekä vauhdittaa kvanttiteknologian kehitystä että syventää ymmärrystä termodynamiikan peruslaeista.

Lämpökoneet, kuten James Wattin kuuluisa höyrykone, muuntavat lämpöenergiaa työksi. Ne liikuttavat autoja, laivoja ja lentokoneita ja suuri osa voimalaitoksista tuottaa sähköä lämpökoneiden avulla. Tutkijoita on pitkään kiehtonut, voisivatko samat periaatteet toimia myös kvanttimaailmassa, jossa mittakaavana ovat atomiakin pienemmät hiukkaset.

Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat rakentaneet maailman ensimmäisen syklisen ja suprajohtavan kvanttilämpökoneen: vain millimetrien kokoisen laitteen, joka koostuu transmon-kubitista eli kvanttibitistä, resonaattorista ja kvanttijäähdyttimestä.

Suprajohtava koneen toiminta perustuu siihen, että se muuttaa syklisesti lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytetyn kvanttijärjestelmän häviävän pieniä lämpöenergiamääriä käyttökelpoiseksi työksi. Kvanttitutkijat ovat pitkään tavoitelleet vastaavaa laitetta, ja nyt rakennettu kone on ensimmäinen osoitus siitä, että suprajohtavia lämpökoneita voisi tulevaisuudessa käyttää esimerkiksi kvanttitietokoneiden kehittämiseen.

Akatemiaprofessori Mikko Möttösen johtaman ryhmän tutkimus julkaistiin juuri arvostetussa Nature Communications -lehdessä. 

Kvanttijäähdyttimessä kylmän ja lämpimän varastot samassa paketissa

“Kokeessamme rakensimme nanorakenteisiin perustuvan lämpökoneen suprajohtavilla piireillä ja ajoimme sitä kryostaatissa lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa. Koneen sydän on transmon-kubitti, jolla rakennetaan myös modernit kvanttitietokoneet”, tutkija Tuomas Uusnäkki sanoo.

Tutkijat onnistuivat hallitsemaan lämmön siirtymistä kvanttimaailmassa yhdistämällä transmon-kubitin kvanttijäähdyttimeen. Tavallisissa lämpökoneissa on erilliset kylmän ja lämpimän varastot, mutta kvanttijäähdyttimessä ne ovat samassa paketissa.

“Kvanttijäähdyttimen voi säätää joko lämmittämään tai jäähdyttämään kubittia tarpeen mukaan. Ohjasimme lämpökonetta tarkasti ajoitetuilla pulsseilla niin sanotussa Otto-syklissä ja mittasimme, miten kubitin tila muuttui koneen käydessä”, Uusnäkki selittää.

Tutkijat havaitsivat, että kubitin läpi virtaava lämpöenergia teki työtä.

“Tämä on ensimmäinen kerta, kun pystyttiin osoittamaan syklisen kvanttilämpökoneen toiminta suprajohtavassa piirissä. Se, että yksi kvanttijäähdytin hoitaa sekä lämmittämisen että jäähdyttämisen, tekee ratkaisusta yksinkertaisemman ja käyttökelpoisemman”, Uusnäkki sanoo.

Autonomisista lämpökoneista vauhtia kvanttitietokoneiden kehitykseen

Tutkijoiden tavoitteena on rakentaa täysin autonominen eli itsenäinen lämpökone, jota voisi käyttää esimerkiksi kubittien tilan lukemiseen ilman, että niissä kulkeva mikroaaltopulssi pitää tuoda millikelvinien lämpötilasta huoneenlämpöön. Suprajohtavaan piiriin rakennetut autonomiset lämpökoneet voivat esimerkiksi pienentää tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hintalappua.

“Suomen kvanttiteknologiastrategia  tavoittelee tuhannen loogisen kubitin konetta vuoteen 2035 mennessä. Se todennäköisesti vaatii satoja tuhansia fyysisiä kubitteja, mikä nykytekniikalla tarkoittaa miljoonia tuhat euroa kappale maksavia mikroaaltokaapeleita, jotka myös lisäävät järjestelmään kohinaa. Autonomisia laitteita käyttämällä kaapeleita ei juuri tarvittaisi”, Möttönen sanoo.

Tutkijat käyttivät tutkimuksessaan OtaNanon, eli Suomen kansallisen nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuurin laitteita. Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia ja Suomen Kulttuurirahasto.