Первый в мире сверхпроводящий квантовый тепловой двигатель откроет новые возможности

Исследователи из Университета Аалто разработали первый в мире циклический квантовый тепловой двигатель, встроенный в сверхпроводящую цепь. Устройство, размером меньше песчинки, использует кубит — базовую единицу квантовой информации — в качестве рабочего тела, которое последовательно подвергается нагреву, охлаждению и преобразованию энергии.

Руководитель исследования, профессор Академии Микко Мёттонен, опубликовал результаты в журнале Nature Communications. Работа переносит известный принцип тепловых двигателей в область квантовой механики, где поведение энергии определяется на микроскопическом уровне.

Принцип работы квантового двигателя

В основе двигателя лежит настраиваемый по магнитному потоку трансмон-кубит, соединённый с резонатором и квантовым холодильником. Трансмоны широко применяются в сверхпроводящих квантовых компьютерах, поскольку способны хранить и обрабатывать квантовую информацию под управлением микроволновых сигналов.

Квантовый холодильник выполнял двойную функцию: вместо отдельных горячего и холодного резервуаров исследователи регулировали один и тот же прибор для нагрева или охлаждения кубита. При этом энергия кубита изменялась в строго определённые моменты, что обеспечивало выполнение четырёх стадий квантового цикла Отто.

Цикл Отто известен как термодинамический процесс в бензиновых двигателях, но в данном эксперименте рабочим телом служил кубит, обменивающийся крайне малыми количествами энергии внутри криогенной цепи.

Измерение тепла, работы и эффективности

Исследователи запускали двигатель с кубитом в тепловом состоянии, проводя до трёх последовательных циклов. Одноразовые измерения позволяли отслеживать изменения состояния кубита, вычислять количество поглощённого тепла, произведённой работы и эффективность работы двигателя.

«Наш квантовый холодильник можно настраивать как на нагрев, так и на охлаждение кубита по требованию. С помощью точно синхронизированных управляющих импульсов мы приводили двигатель в действие по циклу Отто и контролировали состояние кубита во время работы», — пояснил первый автор исследования Туомас Ууснякки.

Эксперимент показал, что двигатель производит положительную работу, а не просто перераспределяет тепло внутри цепи. Наблюдаемая мощность и эффективность соответствовали моделям, подтверждая, что устройство функционирует как настоящий циклический тепловой двигатель.

Значение сверхпроводящих цепей

Ранее квантовые тепловые двигатели демонстрировались на системах с захваченными ионами, атомными газами, ядерными спинами и дефектами в алмазах. Сверхпроводящие цепи особенно важны, поскольку они уже являются ведущей платформой для квантовых вычислений, коммуникаций и сенсоров. Однако до настоящего момента не было экспериментов, завершающих циклический квантовый тепловой двигатель на этой технологии.

Главное значение эксперимента — не в количестве произведённой работы, которое чрезвычайно мало, а в демонстрации возможности управлять теплом и преобразовывать его внутри той же цепи, что используется для создания квантовых процессоров.

Перспективы для масштабирования квантовых компьютеров

Такая технология может стать важной по мере роста квантовых компьютеров. Современные сверхпроводящие машины используют множество микроволновых кабелей между электроникой при комнатной температуре и процессорами, охлаждаемыми до температур близких к абсолютному нулю. Каждый кабель увеличивает стоимость, занимает место и может вносить нежелательный шум или тепло в систему.

Исследователи работают над полностью автономной версией двигателя. Одним из возможных применений станет считывание состояния кубита без передачи микроволнового сигнала с холодного процессора на комнатную температуру. Внедрение большего числа управляющих функций непосредственно в криогенную цепь позволит сократить количество внешних кабелей.

«Стратегия квантовых технологий Финляндии предусматривает квантовый компьютер с тысячей логических кубитов к 2035 году, что, вероятно, означает сотни тысяч физических кубитов. Современная технология требует миллионов микроволновых кабелей стоимостью тысячи евро каждый, которые также вносят шум в систему. Использование автономных устройств практически устранит необходимость в этих кабелях», — отметил Микко Мёттонен.

Исследование «Initial demonstration of a quantum heat engine based on dissipation-engineered superconducting circuits» выполнено Туомасом Ууснякки, Тиммом Мёрстедом, Уоллесом Тейшейрой, Миикой Расолой и Микко Мёттоненом, опубликовано 5 мая 2026 года в Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-72651-x).

В работе использовались возможности OtaNano — национальной исследовательской инфраструктуры Финляндии для нанотехнологий, микротехнологий и квантовых технологий. Финансирование обеспечили Исследовательский совет Финляндии и Финский культурный фонд.