Um motor de calor quântico supercondutor recentemente desenvolvido poderia aprofundar nossa compreensão da termodinâmica, ajudando a desenvolver tecnologias necessárias para computadores quânticos com um grande número de qubits.
Os cientistas estão a obter uma imagem mais clara de como a termodinâmica se comporta no mundo quântico, e este progresso poderá beneficiar tanto a tecnologia quântica como a nossa compreensão dos princípios termodinâmicos familiares. Pesquisadores da Universidade de Aalto deram agora um passo importante ao demonstrar o primeiro motor térmico quântico cíclico construído dentro de um circuito supercondutor.
Este experimento conecta duas áreas da física que geralmente descrevem escalas muito diferentes. A mecânica quântica explica o comportamento da matéria em escalas extremamente pequenas, até ao tamanho dos átomos, enquanto a termodinâmica descreve como o calor e a energia se comportam em sistemas muito grandes, desde coleções de moléculas até ao universo. Reunir os dois levanta uma questão fundamental: o que acontece com os processos termodinâmicos familiares quando efeitos quânticos como tunelamento, emaranhamento e superposição entram em cena?
Um motor térmico construído para o mundo quântico
Os motores térmicos convencionais convertem o calor em trabalho útil. A máquina a vapor de James Watt é um exemplo famoso, mas o mesmo conceito básico permanece no cerne do transporte moderno e da geração de energia, alimentando carros, navios, aviões e muitas usinas de energia.
Os pesquisadores criaram agora o primeiro motor térmico quântico supercondutor do mundo. O dispositivo extremamente pequeno combina um qubit transmon, um ressonador e um refrigerador quântico.
Operando sob condições quânticas ultrafrias, o motor foi capaz de usar pequenas quantidades de calor disponível para realizar trabalho positivo repetidamente. Alcançar essa operação cíclica tem sido um objetivo importante para os pesquisadores que trabalham em motores térmicos quânticos. O resultado fornece uma prova de conceito para motores térmicos supercondutores que poderiam, em última análise, contribuir para melhorar a tecnologia de computação quântica.
O estudo liderado pelo professor da Academia Mikko Mottonen foi publicado comunicação da natureza.
Recriando um ciclo Otto próximo do zero absoluto
Para operar o motor, os pesquisadores reproduziram um ciclo Otto dentro de um circuito supercondutor. O ciclo Otto é um processo termodinâmico também utilizado em motores de automóveis e outras máquinas convencionais.
“Em nosso experimento, criamos um motor térmico nanofabricado usando circuitos supercondutores e o operamos em um criostato próximo ao zero absoluto. Em seu centro está um qubit transmon, um dos blocos de construção básicos das tecnologias quânticas modernas”, diz Tuomas Uusnaki, primeiro autor do estudo.
Os pesquisadores conectaram o qubit transmon a um refrigerador de circuito quântico, permitindo-lhes controlar o fluxo de calor na escala quântica e demonstrar que esse calor pode ser convertido em trabalho mensurável. Uma máquina térmica convencional normalmente depende de ambientes quentes e frios separados. No entanto, neste sistema, um único refrigerador quântico pode fornecer aquecimento e resfriamento.
“Nosso refrigerador de circuito quântico pode ser ajustado para aquecer e resfriar os qubits sob demanda. Usando pulsos de controle cuidadosamente cronometrados, ligamos o motor em um ciclo Otto e monitoramos o estado do qubit enquanto o motor estava funcionando”, explica Uusnakki.
As medições mostraram que o calor que passava pelo qubit durante o ciclo estava produzindo trabalho positivo.
“Esta é a primeira demonstração experimental de um motor térmico quântico cíclico em um circuito supercondutor. Usar um único refrigerador quântico controlável como ambiente quente e frio do motor o torna mais simples e versátil”, diz Usnacki.
Rumo a hardware de computador quântico autônomo
Os pesquisadores estão agora tentando melhorar o design e, eventualmente, desenvolver um motor térmico completamente autônomo. Um uso possível seria ler qubits desde temperaturas de milikelvin até a temperatura ambiente sem a necessidade de transportar um pulso de micro-ondas.
Essa capacidade pode se tornar especialmente valiosa à medida que os computadores quânticos se desenvolvem. Dispositivos autônomos integrados diretamente em circuitos supercondutores poderiam reduzir o custo e a complexidade de máquinas com um grande número de qubits.
“A estratégia de tecnologia quântica da Finlândia prevê um computador quântico com mil qubits lógicos até 2035, o que significa potencialmente centenas de milhares de qubits físicos. Para fazer isso com a tecnologia atual seriam necessários milhões de cabos de micro-ondas custando mil euros cada. Os cabos também introduzem ruído no sistema. Usar dispositivos autônomos eliminaria a necessidade desses cabos”, diz Mottonen.
Portanto, reduzir a necessidade dessas conexões de micro-ondas poderia resolver dois desafios simultaneamente: os pesados requisitos de hardware dos grandes computadores quânticos e o ruído indesejado que os cabos podem trazer aos sistemas quânticos.
O experimento pioneiro foi conduzido usando OtNano, a infraestrutura nacional de pesquisa da Finlândia para tecnologias nano, micro e quânticas. O financiamento foi recebido do Conselho de Pesquisa da Finlândia e da Fundação Cultural Finlandesa.
