باحثون يطورون أول محرك حرارة كمومي فائق التوصيل لتحسين الحوسبة الكمومية

نجح فريق من الباحثين في جامعة ألتو ببناء أول محرك حرارة كمومي دوري يعمل داخل دائرة فائقة التوصيل، حيث استخدموا وحدة كمومية تُعرف بالكيوبت كمادة عاملة في المحرك، مما مكّنهم من تحويل الحرارة إلى عمل مفيد عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق.

أشرف على الدراسة الأكاديمي ميكو موتونين، ونُشرت النتائج في مجلة Nature Communications، حيث أوضح الباحثون أن المحرك يعتمد على مبدأ مشابه لمحركات الحرارة التقليدية التي تنقل الطاقة بين بيئات ساخنة وباردة، لكن هذا المحرك يعمل على مقياس مجهري تتحكم فيه ميكانيكا الكم في سلوك الطاقة.

يتمركز المحرك حول كيوبت من نوع ترانسمون قابل لضبط التدفق، متصل بمُرنان ومبرد كمومي ضمن الدائرة الفائقة التوصيل. يُستخدم هذا النوع من الكيوبتات على نطاق واسع في الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل نظراً لقدرتها على تخزين ومعالجة المعلومات الكمومية عبر إشارات الميكروويف.

قام المبرد الكمومي بدور مزدوج، إذ استغنى الباحثون عن وجود خزانات حرارة منفصلة ساخنة وباردة، وبدلاً من ذلك ضبطوا الجهاز نفسه ليعمل على تسخين أو تبريد الكيوبت، مع تغيير مستوى طاقته في أوقات محددة بدقة، مكتملين بذلك أربع مراحل دورة أوتو الكمومية.

تُعرف دورة أوتو بأنها العملية الديناميكية الحرارية التي تعمل بها العديد من محركات البنزين، لكن في هذه التجربة كانت المادة العاملة هي كيوبت يتبادل كميات ضئيلة جداً من الطاقة داخل دائرة تبريد كريوجينية.

قال توماس أوسناكي، المؤلف الأول للدراسة: "صممنا محرك حرارة نانوي باستخدام دوائر فائقة التوصيل وشغلناه في جهاز تبريد كريوجيني قرب الصفر المطلق، ويعتبر كيوبت الترانسمون في قلب هذا المحرك أحد اللبنات الأساسية للتقنيات الكمومية الحديثة".

بدأ الفريق التجربة مع الكيوبت في حالة حرارية وقاموا بتشغيل المحرك لثلاث دورات متتالية، حيث سمحت القياسات الفردية بتتبع تغيرات حالة الكيوبت وحساب كمية الحرارة الممتصة، والعمل المنتج، وكفاءة التشغيل.

أوضح أوسناكي: "يمكن ضبط المبرد الكمومي لتسخين أو تبريد الكيوبت حسب الطلب، وباستخدام نبضات تحكم ذات توقيت دقيق، قمنا بتشغيل المحرك ضمن دورة أوتو ورصدنا حالة الكيوبت أثناء التشغيل".

أظهرت القياسات أن المحرك أنتج عملاً إيجابياً بدلاً من مجرد نقل الحرارة داخل الدائرة، كما أن القدرة والكفاءة التي لوحظت توافق محاكاة الباحثين، ما يؤكد أن الجهاز يعمل كمحرك حرارة كمومي دوري حقيقي.

يُعد هذا الإنجاز أول إثبات تجريبي لمحرك حرارة كمومي دوري ضمن دوائر فائقة التوصيل، حيث إن استخدام مبرد كمومي واحد قابل للتحكم ليكون البيئة الساخنة والباردة للمحرك يجعل تصميمه أبسط وأكثر مرونة.

سبق أن تم عرض محركات حرارة كمومية باستخدام أنظمة مثل الأيونات المحاصرة، الغازات الذرية، لفات نووية، وعيوب في الألماس، لكن دوائر فائقة التوصيل مهمة بشكل خاص لأنها تُعتبر من المنصات الرائدة في الحوسبة الكمومية والاتصالات والاستشعار الكمومي، ولم يُنجز قبل ذلك محرك حرارة كمومي دوري باستخدام هذه التقنية.

المغزى الفوري لا يكمن في كمية العمل الناتجة التي تعتبر صغيرة جداً، بل في إثبات إمكانية التحكم المتعمد وتحويل الحرارة داخل نفس نوع الدوائر المستخدمة لبناء المعالجات الكمومية.

قد تصبح هذه القدرة ذات أهمية متزايدة مع نمو الحواسيب الكمومية، التي تعتمد حالياً على أعداد كبيرة من كابلات الميكروويف بين إلكترونيات درجة حرارة الغرفة والمعالجات التي تُحفظ عند درجات حرارة قريبة جداً من الصفر المطلق، حيث تضيف كل كابل تكلفة وتشغل مساحة ويمكن أن تنقل حرارة أو ضوضاء غير مرغوبة إلى النظام.

يعمل الباحثون حالياً على تطوير نسخة مستقلة تماماً من المحرك، ومن التطبيقات المحتملة قراءة حالة الكيوبت دون الحاجة لإرسال إشارة ميكروويف من المعالج البارد إلى درجة حرارة الغرفة، مما قد يقلل من كمية الأسلاك الخارجية المطلوبة.

قال ميكو موتونين: "تتضمن استراتيجية فنلندا للتكنولوجيا الكمومية هدف إنشاء حاسوب كمومي يحتوي على ألف كيوبت منطقي بحلول عام 2035، وهو ما يعني على الأرجح مئات الآلاف من الكيوبتات الفيزيائية. تحقيق ذلك بالتقنية الحالية يتطلب ملايين كابلات ميكروويف بتكلفة آلاف اليوروهات لكل منها، كما أن هذه الكابلات تضيف ضوضاء إلى النظام. استخدام أجهزة مستقلة سيقلل بشكل كبير من الحاجة إلى هذه الكابلات".

استُخدمت في هذه الدراسة المبتكرة مرافق أوتانانو، البنية التحتية الوطنية الفنلندية لأبحاث النانو والميكرو والتقنية الكمومية، وتم تمويل العمل من قبل مجلس الأبحاث الفنلندي والمؤسسة الثقافية الفنلندية.