پژوهشگران دانشگاه آلتو فنلاند موفق شدند برای نخستین بار یک موتور گرمایی کوانتومی چرخهای را در یک مدار ابررسانا بسازند و راهاندازی کنند، دستاوردی که میتواند مسیر توسعه رایانههای کوانتومی بزرگتر، کارآمدتر و کمهزینهتر را هموار کند. این پژوهش که در نشریه Nature Communications منتشر شده است.
به گزارش ساینس دیلی، این موتور که ابعادی کوچکتر از یک دانه شن دارد قادر است در دمایی نزدیک به صفر مطلق گرما را به کار مفید تبدیل کند. این سامانه از یک کیوبیت (Qubit)، واحد پایه اطلاعات کوانتومی به عنوان ماده عامل استفاده میکند و آن را به طور مداوم در چرخهای شامل گرم شدن، سرد شدن و تبدیل انرژی به حرکت درمیآورد.
نخستین موتور گرمایی کوانتومی در مدارهای ابررسانا
موتورهای گرمایی متداول مانند موتور خودروها یا نیروگاههای برق، با انتقال انرژی میان مخزن گرم و مخزن سرد کار تولید میکنند اما در این پژوهش، دانشمندان همین اصل ترمودینامیکی را به دنیای کوانتوم آوردهاند، جایی که قوانین مکانیک کوانتومی رفتار انرژی را تعیین میکنند.
در قلب این موتور یک کیوبیت ترانسمون قابل تنظیم با شار مغناطیسی (Flux-Tunable Transmon Qubit) قرار دارد که به یک رزوناتور و یک یخچال مدار کوانتومی (Quantum Circuit Refrigerator) متصل شده است. ترانسمونها از مهمترین اجزای رایانههای کوانتومی ابررسانا به شمار میروند و به دلیل توانایی ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی با استفاده از سیگنالهای مایکروویوی کنترل میشوند.
یک یخچال با دو نقش متفاوت
یکی از نوآوریهای اصلی این پژوهش استفاده از یک یخچال کوانتومی برای ایفای دو نقش متضاد است. برخلاف موتورهای معمول که به دو مخزن مجزای گرم و سرد نیاز دارند پژوهشگران تنها با تنظیم عملکرد همین یخچال توانستند در مواقع مختلف کیوبیت را گرم یا سرد کنند.
سپس با تغییر سطح انرژی کیوبیت در زمانهای دقیق چهار مرحله یک چرخه اتوی کوانتومی (Quantum Otto Cycle) را کامل کردند.
چرخه اتو همان فرآیند ترمودینامیکی شناختهشدهای است که اساس عملکرد بسیاری از موتورهای بنزینی را تشکیل میدهد اما در این آزمایش به جای گاز فشرده داخل سیلندر یک کیوبیت درون مدار برودتی مقادیر بسیار ناچیزی از انرژی را مبادله میکند.
ساخت موتور در دمای نزدیک صفر مطلق
توماس اوسناکی نویسنده نخست مقاله درباره این آزمایش گفت: ما یک موتور گرمایی نانوساختار مبتنی بر مدارهای ابررسانا طراحی کردیم و آن را در یک کرایواستات در دمایی نزدیک به صفر مطلق به کار گرفتیم. در قلب این موتور یک کیوبیت ترانسمون قرار دارد که از اجزای اصلی فناوریهای نوین کوانتومی محسوب میشود.
اندازهگیری مستقیم گرما، کار و بازده موتور
پژوهشگران موتور را با قرار دادن کیوبیت در یک حالت گرمایی اولیه راهاندازی کردند و آن را تا سه چرخه متوالی به کار انداختند. آنها با استفاده از اندازهگیریهای تکشات (Single-Shot Measurements) تغییرات وضعیت کیوبیت را در هر مرحله ثبت کردند و میزان گرمای جذبشده، کار تولیدشده و بازده موتور را با دقت محاسبه کردند.
اوسناکی در این باره توضیح داد: یخچال مدار کوانتومی ما میتواند بنا به نیاز کیوبیت را گرم یا سرد کند. با استفاده از پالسهای کنترلی دقیق، موتور را در چرخه اتو به حرکت درآوردیم و همزمان وضعیت کیوبیت را پایش کردیم.
نتایج نشان داد این سامانه واقعا کار مثبت تولید میکند و صرفا گرما را در مدار جابهجا نمیکند. همچنین توان خروجی و بازده اندازهگیریشده با شبیهسازیهای نظری پژوهشگران مطابقت داشت، موضوعی که عملکرد واقعی این سامانه به عنوان یک موتور گرمایی چرخهای را تایید میکند.
به گفته اوسناکی: این نخستین نمایش تجربی یک موتور گرمایی کوانتومی چرخهای در مدارهای ابررسانا است. استفاده از یک یخچال کوانتومی قابل کنترل به عنوان هر دو مخزن گرم و سرد سامانه را سادهتر و انعطافپذیرتر کرده است.
چرا مدارهای ابررسانا اهمیت دارند؟
پیش از این موتورهای گرمایی کوانتومی با استفاده از سامانههایی مانند یونهای به دام افتاده، گازهای اتمی، اسپینهای هستهای و نقصهای موجود در بلور الماس ساخته شده بودند، اما مدارهای ابررسانا از مهمترین بسترهای توسعه رایانش کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و حسگرهای کوانتومی به شمار میروند و تاکنون هیچ پژوهشی موفق نشده بود یک موتور گرمایی چرخهای را در این فناوری به نمایش بگذارد.
به گفته پژوهشگران اهمیت اصلی این دستاورد نه در میزان بسیار اندک انرژی تولیدشده بلکه در اثبات این موضوع است که میتوان گرما را به طور هدفمند در همان مدارهایی کنترل و به کار تبدیل کرد که امروزه برای ساخت پردازندههای کوانتومی مورد استفاده قرار میگیرند.
گامی برای ساخت رایانههای کوانتومی بزرگتر
پژوهشگران معتقدند این فناوری میتواند در آینده نقش مهمی در توسعه رایانههای کوانتومی ایفا کند. در حال حاضر رایانههای کوانتومی ابررسانا به تعداد بسیار زیادی کابل مایکروویو نیاز دارند که تجهیزات الکترونیکی دمای اتاق را به پردازندههایی که در دمایی نزدیک صفر مطلق قرار دارند متصل میکنند.
هر یک از این کابلها علاوه بر اشغال فضای زیاد و هزینه بالا میتواند گرما و نویز ناخواسته را نیز به سامانه منتقل کند و عملکرد پردازنده را کاهش دهد. به همین دلیل تیم تحقیقاتی اکنون در حال توسعه نسخهای کاملا خودکار (Autonomous) از این موتور است.
یکی از کاربردهای احتمالی آن خواندن وضعیت کیوبیت بدون نیاز به ارسال سیگنال مایکروویو از دمای اتاق است. اگر بخش بیشتری از عملیات کنترل مستقیما در داخل مدار برودتی انجام شود تعداد کابلهای مورد نیاز به شکل چشمگیری کاهش خواهد یافت.
چشمانداز فنلاند برای رایانه کوانتومی هزار کیوبیتی
میکو موتونن در پایان گفت: راهبرد ملی فناوری کوانتومی فنلاند ساخت یک رایانه کوانتومی با هزار کیوبیت منطقی تا سال ۲۰۳۵ را هدفگذاری کرده است. تحقق چنین هدفی احتمالا به صدها هزار کیوبیت فیزیکی نیاز خواهد داشت. با فناوری فعلی این کار مستلزم استفاده از میلیونها کابل مایکروویو است که هر کدام هزاران یورو قیمت دارند و علاوه بر هزینه نویز نیز وارد سامانه میکنند. استفاده از دستگاههای خودکار میتواند بخش عمدهای از نیاز به این کابلها را از بین ببرد.
پژوهشگران معتقدند اگرچه این موتور گرمایی کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد اما میتواند یکی از فناوریهای کلیدی برای طراحی نسل آینده رایانههای کوانتومی مقیاسپذیر باشد؛ رایانههایی که با قطعات کمتر، نویز پایینتر و بهرهوری بالاتر قادر به انجام محاسبات بسیار پیچیده خواهند بود.
انتهای پیام/