Um motor de calor quântico supercondutor recentemente desenvolvido poderia aprofundar nossa compreensão da termodinâmica e, ao mesmo tempo, ajudar a desenvolver as 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 pode ajudar tanto a tecnologia quântica como a nossa compreensão dos princípios familiares da termodinâmica. Agora, pesquisadores da Universidade de Aalto deram um passo importante ao demonstrar o primeiro motor térmico quântico em anel construído em um circuito supercondutor.
Este experimento conecta duas áreas da física que normalmente descrevem escalas muito diferentes. A mecânica quântica descreve o comportamento da matéria em escalas muito pequenas, ainda menores que o tamanho dos átomos, enquanto a termodinâmica descreve como o calor e a energia se comportam em sistemas muito maiores, desde uma coleção de moléculas até o próprio universo. Juntar 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 central para o transporte moderno e a geração de eletricidade, alimentando carros, navios, aviões e muitas usinas de energia.
Os pesquisadores construíram agora o primeiro motor térmico quântico supercondutor do mundo. Este minúsculo dispositivo combina um qubit transmon, um ressonador e um refrigerador quântico.
Operando sob condições quânticas ultrafrias, este motor foi capaz de usar a pequena quantidade de calor disponível para produzir repetidamente trabalho positivo. Alcançar esse tipo de operação cíclica é uma meta importante para pesquisadores que trabalham em motores térmicos quânticos. O resultado fornece uma prova de conceito para motores térmicos supercondutores que poderiam, em última análise, ajudar a melhorar a tecnologia de computação quântica.
O estudo, liderado pelo Professor da Academia Mikko Möttönen, é publicado em Comunicação da natureza.
Reconstrução de um ciclo Otto próximo do zero absoluto
Para acionar o motor, os pesquisadores reproduziram um ciclo Otto em um circuito supercondutor. O ciclo Otto é um processo termodinâmico que também é utilizado em motores de automóveis e outras máquinas convencionais.
“Em nosso experimento, construímos um motor térmico nanofabricado usando circuitos supercondutores e o operamos em um criostato quase zero absoluto”, diz Tuomas Uusnäkki, primeiro autor do estudo.
Os pesquisadores conectaram o qubit transmon a um refrigerador de circuito quântico, permitindo-lhes controlar o fluxo de calor em escala quântica, mostrando que esse calor pode ser transformado em trabalho mensurável. Uma máquina térmica típica geralmente depende de ambientes quentes e frios separados. Mas neste sistema, o mesmo refrigerador quântico pode fornecer aquecimento e resfriamento.
Uusnäkki explica: “Nosso refrigerador de circuito quântico pode ser configurado para aquecer e resfriar o qubit sob demanda. Usando pulsos de controle precisamente cronometrados, conduzimos o motor através de um ciclo automático e controlamos o estado do qubit enquanto o motor estava funcionando.”
As medições mostraram que o calor que passa pelo qubit durante o ciclo produziu trabalho positivo.
“Esta é a primeira demonstração experimental de um motor térmico quântico cíclico em circuitos supercondutores. Usar um refrigerador quântico controlável como ambiente quente e frio do motor o torna mais simples e versátil, “diz Uusnäkki.
Rumo a hardware de computador quântico autônomo
Os pesquisadores estão atualmente trabalhando para melhorar o projeto e, eventualmente, desenvolver um motor térmico totalmente autônomo. Uma aplicação possível é ler qubits sem a necessidade de transportar pulsos de micro-ondas do milikelvin até a temperatura ambiente.
Esta capacidade poderá tornar-se especialmente valiosa com o desenvolvimento de computadores quânticos. Dispositivos autônomos integrados diretamente em circuitos supercondutores podem reduzir o custo e a complexidade de máquinas contendo um grande número de qubits.
“A estratégia de tecnologia quântica da Finlândia prevê um computador quântico com mil qubits lógicos até 2035, o que provavelmente significaria centenas de milhares de qubits físicos. Fazer isso com a tecnologia atual exigiria milhões de cabos de micro-ondas custando milhares de euros cada. Os cabos também introduzem ruído no sistema. Usar dispositivos autônomos eliminaria ainda mais a necessidade deles.”
Portanto, reduzir a necessidade dessas conexões de micro-ondas poderia resolver dois desafios ao mesmo tempo: os enormes requisitos de hardware dos grandes computadores quânticos e o ruído indesejado que os cabos podem introduzir nos sistemas quânticos.
Esta experiência pioneira foi realizada utilizando OtaNano, a infraestrutura nacional de investigação da Finlândia para tecnologia nano, micro e quântica. O financiamento foi fornecido pelo Conselho Finlandês de Pesquisa e pela Fundação Cultural Finlandesa.
