Premier moteur quantique supraconducteur convertit la chaleur en travail utile

Une machine plus petite qu’un grain de sable a réussi à convertir de la chaleur en travail utile à une température proche du zéro absolu, offrant ainsi une nouvelle approche pour développer des ordinateurs quantiques plus performants.

Des chercheurs de l’université Aalto ont conçu le premier moteur thermique quantique cyclique intégré dans un circuit supraconducteur. Ce dispositif utilise un qubit, l’unité fondamentale de l’information quantique, comme substance active, qu’il soumet à des cycles répétés de chauffage, refroidissement et conversion d’énergie.

Cette avancée, dirigée par le professeur Mikko Möttönen, a été publiée dans la revue Nature Communications.

Le principe exploité rappelle celui des moteurs thermiques classiques qui alimentent véhicules et centrales électriques en transférant de l’énergie entre des réservoirs chauds et froids. Toutefois, ici, le moteur fonctionne à une échelle microscopique où la mécanique quantique régit le comportement de l’énergie.

Au cœur de ce moteur se trouve un qubit transmon à flux réglable, connecté à un résonateur et à un réfrigérateur quantique. Les transmons sont couramment employés dans les ordinateurs quantiques supraconducteurs car ils permettent de stocker et de manipuler l’information quantique via des signaux micro-ondes.

Le réfrigérateur quantique joue un double rôle : au lieu d’utiliser deux réservoirs distincts pour chauffer et refroidir, les chercheurs ont ajusté un seul appareil capable d’alterner entre ces deux fonctions. Ils ont ensuite modifié le niveau d’énergie du qubit à des instants précis, complétant ainsi les quatre phases d’un cycle d’Otto quantique.

Ce cycle d’Otto est connu comme le processus thermodynamique à l’origine de nombreux moteurs à essence. Dans cette expérience, la substance active n’est pas un gaz comprimé mais un qubit échangeant des quantités d’énergie extrêmement faibles dans un circuit cryogénique.

« Nous avons fabriqué un moteur thermique nanofabriqué utilisant des circuits supraconducteurs et l’avons fait fonctionner dans un cryostat proche du zéro absolu. Son cœur est un qubit transmon, un des composants de base des technologies quantiques modernes », explique Tuomas Uusnäkki, premier auteur de l’étude.

L’équipe a démarré avec un qubit en état thermique et a fait tourner le moteur jusqu’à trois cycles consécutifs. Des mesures en mode unique ont permis de suivre l’évolution de l’état du qubit, de quantifier la chaleur absorbée, le travail produit et l’efficacité du moteur.

« Notre réfrigérateur quantique peut être réglé pour chauffer ou refroidir le qubit à la demande. En appliquant des impulsions de contrôle synchronisées, nous avons piloté le moteur selon un cycle d’Otto et observé l’état du qubit pendant son fonctionnement », détaille Uusnäkki.

Les résultats ont confirmé que le moteur produisait un travail positif, au-delà d’un simple transfert de chaleur dans le circuit. La puissance et l’efficacité mesurées concordent avec les simulations, démontrant que l’appareil fonctionne comme un véritable moteur thermique cyclique.

« C’est la première démonstration expérimentale d’un moteur thermique quantique cyclique dans des circuits supraconducteurs. Utiliser un seul réfrigérateur quantique contrôlable comme source chaude et froide simplifie et rend le système plus polyvalent », ajoute Uusnäkki.

Des moteurs thermiques quantiques avaient déjà été réalisés avec des ions piégés, des gaz atomiques, des spins nucléaires ou des défauts dans des diamants. Les circuits supraconducteurs sont cruciaux car ils figurent parmi les principales plateformes pour l’informatique, la communication et la détection quantiques. Néanmoins, aucun moteur cyclique quantique n’avait encore été achevé avec cette technologie.

La portée immédiate de cette expérience ne réside pas dans la quantité de travail produite, qui reste extrêmement faible, mais dans la démonstration que la chaleur peut être contrôlée et convertie intentionnellement au sein du même type de circuits utilisés pour fabriquer des processeurs quantiques.

Cette capacité pourrait s’avérer précieuse à mesure que les ordinateurs quantiques s’agrandissent. Les machines supraconductrices actuelles reposent sur un grand nombre de câbles micro-ondes reliant l’électronique à température ambiante aux processeurs maintenus à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. Chaque câble engendre un coût, occupe de l’espace et peut introduire chaleur ou bruit dans le système.

Les chercheurs travaillent désormais à une version entièrement autonome du moteur. Une application envisagée serait la lecture de l’état d’un qubit sans envoyer de signal micro-ondes du processeur froid vers la température ambiante. Intégrer davantage de fonctions de contrôle directement dans le circuit cryogénique pourrait réduire le câblage externe nécessaire.

« La stratégie finlandaise pour la technologie quantique prévoit un ordinateur quantique avec mille qubits logiques d’ici 2035, ce qui implique probablement des centaines de milliers de qubits physiques. Réaliser cela avec la technologie actuelle nécessite des millions de câbles micro-ondes coûtant chacun plusieurs milliers d’euros. Ces câbles introduisent aussi du bruit dans le système. Utiliser des dispositifs autonomes permettrait de supprimer en grande partie ce besoin », souligne Mikko Möttönen.

Cette recherche a été menée au sein des installations d’OtaNano, l’infrastructure nationale finlandaise dédiée aux technologies nano-, micro- et quantiques. Elle a bénéficié du soutien du Conseil de la recherche finlandais et de la Fondation culturelle finlandaise.