Suomalaistutkijat rakensivat ensimmäisen syklisen suprajohtavan kvanttilämpökoneen

Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet ensimmäistä kertaa kokeellisesti, että suprajohtavilla piireillä toteutettu syklinen kvanttilämpökone voi muuttaa lämpövirtaa työksi. Kyse on vielä perustutkimuksesta, mutta tekniikka voi myöhemmin auttaa yksinkertaistamaan suuria kvanttitietokoneita.

Höyrykoneessa lämpö saa kaasun laajenemaan ja tuottamaan mekaanista työtä. Aalto-yliopiston tutkijat ovat nyt toteuttaneet saman perusajatuksen järjestelmässä, jonka työskentelevänä osana toimii kvanttibitti.

Tutkijaryhmä rakensi ensimmäisen kokeellisesti toimivan syklisen kvanttilämpökoneen, joka perustuu suprajohtaviin piireihin. Vain millimetrien kokoinen laite jäähdytettiin kryostaatissa lähelle absoluuttista nollapistettä.

Aalto-yliopiston tiedotteessa esitelty tutkimus julkaistiin vertaisarvioidussa Nature Communications -tiedelehdessä. Tutkimusta johtaneeseen ryhmään kuuluivat Tuomas Uusnäkki, Timm Mörstedt, Wallace Teixeira, Miika Rasola ja akatemiaprofessori Mikko Möttönen.

Saavutus ei tarkoita ensimmäistä koskaan rakennettua kvanttilämpökonetta. Vastaavia kokeita on tehty aikaisemmin esimerkiksi atomien, ionien, timantin kvanttirakenteiden ja ydinspinien avulla. Uutta on syklisen lämpökoneen kokeellinen toteuttaminen kvanttitietokoneissa käytettävillä suprajohtavilla piireillä.

Mitä lämpökone tekee?

Lämpökone hyödyntää lämpötilaeroa. Se ottaa energiaa lämpimämmästä ympäristöstä, muuttaa osan siitä työksi ja luovuttaa jäljelle jäävää lämpöä kylmempään ympäristöön.

Samaa periaatetta hyödynnetään muun muassa polttomoottoreissa, höyryturbiineissa ja suuressa osassa sähköntuotantoa. Kaikkea lämpöä ei voida muuttaa työksi, vaan osa energiasta siirtyy väistämättä kylmempään lämpövarastoon.

Aalto-yliopiston laitteessa lämpömäärät ja tuotettu työ olivat äärimmäisen pieniä. Kokeen tarkoituksena ei ollut tuottaa käyttökelpoista sähköä, vaan osoittaa, että termodynamiikan periaatteiden mukainen lämpökone voidaan rakentaa myös suprajohtavan kvanttisirun sisälle.

Kyse ei siis ole tyhjästä energiaa tuottavasta koneesta. Laite tarvitsee lämpötilaeron sekä ulkopuolista ohjausta, ja sen toimintaa rajoittavat samat termodynamiikan peruslait kuin tavallisiakin lämpökoneita.

Koneen sydämenä toimii transmon-kubitti

Kvanttilämpökone koostui transmon-kubitista, kvanttijäähdyttimestä ja kubitin tilan mittaamiseen käytetystä resonaattorista.

Transmon on yksi yleisimmistä suprajohtavissa kvanttitietokoneissa käytettävistä kubittityypeistä. Se toimii kokeessa lämpökoneen työskentelevänä aineena samaan tapaan kuin kaasu toimii polttomoottorin sylinterissä.

Kubitti voi siirtyä eri energiatilojen välillä. Tutkijat säätivät sen energiarakennetta magneettivuon avulla ja ohjasivat samanaikaisesti lämmön virtaamista kubittiin ja siitä pois.

"Koneen sydän on transmon-kubitti, jolla rakennetaan myös modernit kvanttitietokoneet", väitöskirjatutkija Tuomas Uusnäkki kertoo Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Sirua pidettiin mittausten aikana noin 40 millikelvinin lämpötilassa. Se vastaa noin miinus 273,11 celsiusastetta eli vain muutamaa sadasosa-astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Yksi laite toimi sekä kuumana että kylmänä varastona

Tavallisessa lämpökoneessa tarvitaan erilliset lämpimät ja kylmät lämpövarastot. Aalto-yliopiston kokeessa molemmat tehtävät hoidettiin yhdellä säädettävällä kvanttijäähdyttimellä.

Kvanttijäähdyttimen toimintaa voitiin muuttaa sähköisillä pulsseilla. Yhdellä asetuksella se poisti energiaa kubitista ja jäähdytti sitä. Toisella asetuksella se syötti kubittiin lämpöenergiaa.

"Kvanttijäähdyttimen voi säätää joko lämmittämään tai jäähdyttämään kubittia tarpeen mukaan", Uusnäkki selittää.

Ratkaisu vähentää tarvittavien komponenttien määrää. Kahden fyysisesti erillisen lämpövaraston ja niitä varten rakennettujen kytkentöjen sijasta sama nanorakenne pystyttiin vaihtamaan hallitusti kylmästä lämpimäksi.

Kone käytti nelivaiheista Otto-sykliä

Tutkijat ohjasivat konetta niin sanotulla kvantti-Otto-syklillä. Se vastaa perusperiaatteeltaan polttomoottoreista tunnettua Otto-kiertoa, vaikka yksittäisen kubitin toiminta poikkeaa huomattavasti auton moottorista.

Syklin ensimmäisessä vaiheessa kubitin energiatilojen välistä etäisyyttä pienennettiin. Tällöin kubitti teki työtä sitä ohjaavalle kentälle ilman lämmön siirtymistä ympäristöön.

Seuraavaksi kvanttijäähdytin kytkettiin kylmään tilaan ja kubitista poistettiin lämpöenergiaa. Kolmannessa vaiheessa kubitin energiatilojen välistä etäisyyttä kasvatettiin, mikä vaati energiaa.

Lopuksi kvanttijäähdytin vaihdettiin lämpimäksi varastoksi ja kubitti otti vastaan lämpöä. Tämän jälkeen nelivaiheinen sykli voitiin aloittaa uudelleen.

Kubitin jäähdyttäminen ennen kolmatta vaihetta oli ratkaisevaa. Sen vuoksi järjestelmään palautettu työ jäi pienemmäksi kuin ensimmäisessä vaiheessa saatu työ, jolloin koko kierroksen lopputulos oli positiivinen.

Tutkijat mittasivat aidosti positiivisen työtuoton

Tutkijat seurasivat kubitin eri energiatilojen todennäköisyyksiä yksittäisiin mittauksiin perustuvalla lukumenetelmällä. Mittaustuloksista voitiin laskea kubitin ottama lämpö, tekemä työ, teho ja hyötysuhde.

Koneen toimintaa mitattiin enintään kolmen peräkkäisen Otto-syklin ajan. Tulokset vastasivat hyvin tutkijoiden numeerisia simulaatioita.

Keskimääräinen mitattu teho oli 0,039 elektronivolttia sekunnissa. Määrä on käytännön energiantuotannon näkökulmasta häviävän pieni.

Ensimmäisen kierroksen keskimääräinen hyötysuhde oli noin 0,55 prosenttia. Se vastasi 27 prosenttia juuri tässä koejärjestelyssä saavutettavissa olleesta ihanteellisesta Otto-hyötysuhteesta.

Tutkimusartikkelin mukaan teho ja hyötysuhde ovat vielä niin alhaisia, ettei laitteella ole nykyisessä muodossaan käytännön sovelluksia. Ne olivat kuitenkin selvästi positiivisia, mikä osoitti lämmön muuttuneen järjestelmässä työksi.

Simulaatioiden perusteella hyötysuhde parani koneen jatkaessa toimintaansa ja lähestyi muutaman kierroksen jälkeen kokeen Otto-syklin teoreettista tasoa.

Tulos testaa kvanttitermodynamiikan teoriaa

Kvanttitermodynamiikassa tutkitaan, miten lämpöä, työtä ja energian siirtymistä koskevat lait toimivat erittäin pienissä järjestelmissä.

Tavallisessa lämpökoneessa käsitellään valtavia atomimääriä, jolloin yksittäisten hiukkasten kvanttiominaisuuksilla ei yleensä ole näkyvää merkitystä. Kubitin kaltaisessa järjestelmässä yksittäiset energiatilat ja niiden todennäköisyydet voidaan sen sijaan mitata ja niitä voidaan ohjata tarkasti.

Nature Communicationsissa julkaistun tutkimuksen mukaan koe tarjoaa ympäristön, jossa kvanttilämpökoneita koskevia teoreettisia malleja voidaan testata käytännössä.

Seuraavissa tutkimuksissa voidaan tarkastella esimerkiksi kvanttitilojen koherenssin, interferenssin ja nopeiden ei-adiabaattisten muutosten vaikutusta koneen toimintaan.

Toistaiseksi koe osoitti ennen kaikkea, että hallittu lämmittäminen, jäähdyttäminen ja työn tuottaminen voidaan yhdistää samalle suprajohtavalle piirille.

Tavoitteena on itsenäisesti toimiva lämpökone

Nyt esitelty laite tarvitsi ulkopuolelta tarkasti ajoitettuja pulsseja, joilla säädettiin kubitin energiatiloja ja kvanttijäähdyttimen toimintaa.

Tutkijaryhmän pidemmän aikavälin tavoitteena on rakentaa autonominen kvanttilämpökone. Se pystyisi ylläpitämään toimintaansa ilman, että jokainen työvaihe käynnistetään erikseen ulkoisella ohjauspulssilla.

Tällainen laite voisi toimia kvanttitietokoneen kylmässä sisäosassa ja käyttää lämpövirtaa esimerkiksi kubittien tilojen lukemiseen tai mikroaaltosignaalien käsittelemiseen.

Mahdollinen sovellus ei siis olisi sähköntuotanto tavalliseen sähköverkkoon. Tavoitteena olisi tuottaa tai vahvistaa erittäin pieniä signaaleja juuri siellä, missä kvanttiprosessori toimii.

Kvanttitietokoneiden kaapelointi on suuri haaste

Suprajohtavat kvanttitietokoneet toimivat erittäin matalissa lämpötiloissa, mutta niiden ohjaus- ja mittauselektroniikkaa sijaitsee myös huoneenlämmössä. Näiden eri lämpötila-alueiden välille tarvitaan suuri määrä mikroaaltokaapeleita.

Kaapelit maksavat, vievät tilaa, johtavat lämpöä kylmään järjestelmään ja voivat lisätä mittauksiin kohinaa. Ongelma kasvaa nopeasti, jos kvanttitietokoneiden kubittimäärät nousevat nykyisestä satoihin tuhansiin.

Möttönen arvioi Aalto-yliopiston tiedotteessa, että Suomen strategiassa tavoiteltu tuhannen loogisen kubitin tietokone voisi vaatia satojatuhansia fyysisiä kubitteja. Nykyisellä tekniikalla niiden käsittely saattaisi tarkoittaa miljoonia noin tuhannen euron hintaisia mikroaaltokaapeleita.

Jos osa ohjauksesta ja mittauksesta pystyttäisiin tekemään itsenäisillä laitteilla kryostaatin sisällä, kaikkia signaaleja ei tarvitsisi kuljettaa kylmästä kvanttipiiristä huoneenlämpöön ja takaisin.

Tämä on kuitenkin tulevaisuuden mahdollisuus, ei nyt julkaistun kokeen valmis sovellus. Tutkijoiden täytyy ensin kehittää lämpökoneesta autonominen, tehokkaampi ja luotettavasti suurempiin järjestelmiin yhdistettävä versio.

Perustutkimuksen tuloksesta on pitkä matka käyttöön

Aalto-yliopiston kvanttilämpökone on ensisijaisesti onnistunut periaatekoe. Se osoittaa, että kvanttitietokoneista tuttu transmon-kubitti voi toimia syklisen lämpökoneen työskentelevänä osana ja tuottaa mitattavasti työtä lämpövirrasta.

Koneen nykyinen teho on niin pieni, ettei se vielä ratkaise kvanttitietokoneiden energiankulutusta, jäähdytystä tai kaapelointia. Myöskään mahdollista kvanttietua tavanomaisiin mikroskooppisiin lämpökoneisiin verrattuna ei tutkimuksessa osoitettu.

Merkittävää on uuden tutkimusalustan syntyminen. Samantyyppisillä piireillä voidaan jatkossa testata kvanttitermodynamiikan ennusteita ja selvittää, voidaanko lämpöä hyödyntää kvanttilaitteiden paikallisessa ohjauksessa.

Tutkimuksessa käytettiin Suomen kansalliseen OtaNano-tutkimusinfrastruktuuriin kuuluvia laitteita. Työtä rahoittivat Suomen Akatemia ja Suomen Kulttuurirahasto.