Физики Aalto University запустили тепловой двигатель на одном кубите: свыше 25% эффективности цикла Отто
В лабораторном эксперименте из Nature сверхпроводящий трансмон-кубит совершил работу в квантовом цикле Отто: даже одна квантовая система может быть тепловой машиной.
Физики под руководством Туомаса Уусняки из университета Аалто в Финляндии построили в лаборатории двигатель, который совершает работу без вращения, движения частей и горения. По данным spektrum.de, эксперимент описан в журнале Nature spektrum.de
spektrum.despektrum.deОткрыть источник ↗. Его основа — крошечная сверхпроводящая цепь. Результат показывает, что даже одну квантовую систему можно использовать как термодинамическую машину.
Устройство и квантовый цикл Отто
Установка состояла из двух частей: рабочего тела, которое играло роль «поршня» квантового двигателя, и квантовой цепи, выполнявшей роль теплового резервуара. Рабочим телом был трансмон-кубит — сверхпроводящая цепь, ведущая себя как атом с дискретными уровнями энергии. Кубит связали с цепью, которая в зависимости от приложенного напряжения могла отдавать ему тепло или забирать его.
Так был реализован квантовый цикл Отто, который, как и классический вариант, состоит из четырёх шагов [1]:
- Нагрев: цепь передаёт кубиту тепло, и заселяется более высокий энергетический уровень.
- Расширение: вместо увеличения объёма газа исследователи уменьшают расстояния между уровнями кубита магнитным потоком, и система отдаёт работу.
- Охлаждение: цепь отбирает у кубита тепло, заселённость высоких уровней снижается.
- Сжатие: расстояния между уровнями снова увеличивают, подготавливая исходное состояние двигателя.
Результат и ограничения
Команда многократно прогоняла двигатель по циклу и с помощью измерений энергии показала, что он поглощал тепло и отдавал работу spektrum.de
spektrum.despektrum.deОткрыть источник ↗. Эта работа не связана с видимым движением, как у поршня или ротора. Вместо этого магнитным полем целенаправленно меняли энергетические интервалы между квантовыми состояниями искусственного атома. Поскольку заселённость состояний при этом остаётся прежней, меняется средняя энергия кубита, и это изменение соответствует работе, которую система отдаёт вовне. В целом двигатель достиг более 25 процентов от теоретически возможной эффективности цикла Отто.
Такой квантовый двигатель пока не будет приводить в действие машины, заменять турбину или питать квантовый компьютер: установка слишком сложна, а полученная работа слишком мала. Однако исследователи показали, что даже одну квантовую систему можно эксплуатировать как тепловую машину. Это открывает направление исследований, где в центре внимания не только классическое движение вещества, но и целенаправленное управление его квантовыми состояниями.
