フィンランドのアルト大学の科学者たちは、世界初の循環熱機を成功裏に開発しました。この熱機は超伝導回路内で動作し、量子冷蔵庫から微量の熱を利用して有用なエネルギーに変換します。この研究は、将来的に数千の量子ビットを持つ量子コンピュータを構築する際に、数千ユーロのコストを節約することが期待されています。フィンランドの量子技術戦略は、2035年までに1000の論理量子ビットを持つ量子コンピュータを構築することを目指しています。この規模の量子コンピュータは、数十万の物理量子ビットを接続し、数百万のマイクロ波ケーブルで相互接続する必要があります。現在の価格では、各ケーブルのコストは約1000ユーロであり、これにより量子コンピュータの全体的なコストが大幅に上昇します。
アルト大学の科学者たちは、これらのインフラが量子システムの設置において導入するノイズにも注目し、代替案を採用できるかどうかを考えています。
この問題を解決する方法は、量子スケールの自律デバイスを構築し、これらのケーブルを完全に排除することです。しかし、この規模の自律デバイスを構築するためには、科学者たちはまず量子熱機を確立しなければなりません。
フィンランドのアルト大学が世界初の循環熱機を成功裏に開発
熱機は産業革命において重要な役割を果たしており、自動車、航空機、船舶、発電所など、至る所で見られます。これらは熱エネルギーを仕事に利用できる有用なエネルギーに変換します。過去にはますます大きな熱機を構築してきましたが、物理学者たちは現在、量子スケールで古典熱力学を実現するアイデアに興味を持っています。フィンランドのアルト大学の量子技術教授ミッコ・モットネン（Mikko Möttönen）が率いるチームは、超伝導量子ビット、共振器、量子冷蔵庫を利用してこのブレークスルーを達成しました。
「私たちの実験では、超伝導回路を使用してナノ製造された熱機を構築し、絶対零度に近い冷却装置でそれを運転しました」と、この装置の構築に参加したトゥオマス・ユースナッキ（Tuomas Uusnäkki）は説明しました。チームは、超伝導回路内で自動車エンジンを駆動する熱力学的プロセスであるオットーサイクルを作成しました。
熱機が測定可能な作業を行えるかどうかを確認するために、チームは量子ビットを量子回路冷蔵庫に移動させ、量子スケールの熱流を制御しました。他の熱機とは異なり、量子熱機は同時に量子冷蔵庫から熱を供給し冷却を行うため、システムはシンプルで多機能です。「私たちの量子回路冷蔵庫は、必要に応じて量子ビットを同時に加熱および冷却するように調整できます。精密にタイミングされた制御パルスを通じて、オットーサイクル内で熱機を駆動し、運転中に量子ビットの状態を監視します」とユースナッキは付け加えました。
量子熱機の構築の成果は、全体的な自律熱機の構築への道を開き、この熱機は量子ビットを読み取るように作業を実行でき、絶対零度から室温までのマイクロ波パルスを使用する必要がありません。数千ユーロのマイクロ波ケーブルコストを節約できるだけでなく、この自律熱機は将来の量子コンピュータの構築の複雑さを低減するのにも役立ちます。研究結果は『ネイチャー』誌に発表されました。