Aalto-yliopistossa kehitetty ensimmäinen suprajohtava kvanttilämpökone osoittaa, että lämpö voidaan valjastaa työksi myös kvanttimaailmassa. Se voi merkitä pienentää merkittävästi esimerkiksi tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hankintahintoja.

Fyysikot ovat alkaneet ymmärtää viime vuosina ymmärtää entistä paremmin, miten peristeisen termodynamiikan periaatteita voi soveltaa myös tulevaan kvanttimaailmaan.  Ja nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat jo toteuttaneet maailman ensimmäisen syklisen ja suprajohtavan kvanttilämpökonee.

Uutuus on on vain millimetrien kokoinen ja koostu ns. transmon-kubitista eli kvanttibitistä, resonaattorista ja kvanttijäähdyttimestä. Laite voi sekä vauhdittaa kvanttiteknologian kehitystä että syventää ymmärrystä termodynamiikan peruslaeista.

Perinteiset lämpökoneet, kuten James Wattin kuuluisa höyrykone, muuntavat lämpöenergiaa työksi. Tutkijoita on pitkään kiehtonut, voisivatko samat periaatteet toimia myös kvanttimaailmassa, jossa mittakaavana ovat atomiakin pienemmät hiukkaset.

Uuden suprajohtava koneen toiminta perustuu siihen, että se muuttaa syklisesti lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytetyn kvanttijärjestelmän häviävän pieniä lämpöenergiamääriä käyttökelpoiseksi työksi.

Maailmalla kvanttitutkijat ovat pitkään tavoitelleet vastaavaa laitetta, ja nyt rakennettu kone on ensimmäinen osoitus siitä, että suprajohtavia lämpökoneita voisi tulevaisuudessa käyttää esimerkiksi kvanttitietokoneiden kehittämiseen. Aalto-yliopiston akatemiaprofessori Mikko Möttösen johtaman ryhmän tutkimus julkaistiin juuri arvostetussa Nature Communications -lehdessä.

Kvanttijäähdyttimessä kylmän ja lämpimän varastot samassa paketissa. Tutkijat onnistuivat hallitsemaan lämmön siirtymistä kvanttimaailmassa yhdistämällä transmon-kubitin kvanttijäähdyttimeen. Tavallisissa lämpökoneissa on erilliset kylmän ja lämpimän varastot, mutta kvanttijäähdyttimessä ne ovat samassa paketissa.

“Kokeessamme rakensimme nanorakenteisiin perustuvan lämpökoneen suprajohtavilla piireillä ja ajoimme sitä kryostaatissa lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilassa. Koneen sydän on transmon-kubitti, jolla rakennetaan myös modernit kvanttitietokoneet”, kertoo Aalto-ylopiston tutkija Tuomas Uusnäkki.

Hänen mukaansa kvanttijäähdyttimen voi säätää joko lämmittämään tai jäähdyttämään kubittia tarpeen mukaan. He ohjasivat lämpökonetta tarkasti ajoitetuilla pulsseilla niin sanotussa Otto-syklissä ja mittasimme, miten kubitin tila muuttui koneen käydessä”, Uusnäkki selittää.

Tutkijat havaitsivat, että kubitin läpi virtaava lämpöenergia teki työtä. “Tämä on ensimmäinen kerta, kun pystyttiin osoittamaan syklisen kvanttilämpökoneen toiminta suprajohtavassa piirissä. Se, että yksi kvanttijäähdytin hoitaa sekä lämmittämisen että jäähdyttämisen, tekee ratkaisusta yksinkertaisemman ja käyttökelpoisemman”, Uusnäkki sanoo.

Tutkijoiden tavoitteena on rakentaa täysin autonominen eli itsenäinen lämpökone, jota voisi käyttää esimerkiksi kubittien tilan lukemiseen ilman, että niissä kulkeva mikroaaltopulssi pitää tuoda millikelvinien lämpötilasta huoneenlämpöön. Suprajohtavaan piiriin rakennetut autonomiset lämpökoneet voivat esimerkiksi pienentää tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hintalappua. Siitä voi olla paljonkin apua koneiden yleistymiseen-

Aalto-yliopiston akatemiaprofessori Mikko Möttösen mukaan Suomen kvanttiteknologiastrategia  tavoittelee tuhannen loogisen kubitin konetta vuoteen 2035 mennessä.

Se todennäköisesti vaatii hänen mukaansa satoja tuhansia fyysisiä kubitteja, mikä nykytekniikalla tarkoittaa miljoonia tuhat euroa kappale maksavia mikroaaltokaapeleita, jotka myös lisäävät järjestelmään kohinaa. Lisäksi autonomisia laitteita käyttämällä kaapeleita ei juuri tarvittaisi.

Uudenlaisen lämpökoneen kehittämisessä käytettiin Espoon Otaniemessä sijaitsevaa OtaNanon, eli Suomen kansallisen nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuurin laitteita. Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia ja Suomen Kulttuurirahasto.

Lisää: Tiedeartikkeli Initial demonstration of a quantum heat engine based on dissipation-engineered superconducting circuits. Nature Communications  6054, 2026 (LINKKI)

Kuva: Taiteilijan näkemys suprajohtavasta kvanttilämpökoneesta. Lähde: Heikka Valja. / Aalto-yliopisto.