Паровые машины XIX века работали по простому принципу: нагрей рабочее тело, дай ему расшириться, совершив работу, потом охлади — и повтори. Физики из Университета Аалто показали, что тот же цикл можно воспроизвести в устройстве, состоящем из одного сверхпроводящего кубита. Результат опубликован в Nature Communications 13 июля 2026 года: это первый экспериментально продемонстрированный циклический квантовый тепловой двигатель на сверхпроводящих схемах.
Что такое цикл Отто и при чём тут квантовая механика
Цикл Отто — тот же принцип, что лежит в основе бензинового двигателя внутреннего сгорания. Он состоит из четырёх шагов: адиабатическое сжатие, изохорный нагрев, адиабатическое расширение и изохорное охлаждение. В «классическом» двигателе рабочим телом служит газ; в квантовой версии его роль играет трансмон-кубит — сверхпроводящий искусственный атом с двумя основными квантовыми состояниями, нижним и верхним.
«Сжатие» и «расширение» в квантовом двигателе — это не изменение объёма, а изменение расщепления энергетических уровней кубита с помощью управляющего тока. «Нагрев» и «охлаждение» обеспечивает квантовый холодильник: специальная схема, соединённая с кубитом и способная по команде либо накачивать его в верхнее состояние, либо опустошать в нижнее.
Как устроена установка
Вся система работает при температуре, близкой к абсолютному нулю, — в криостате. В её центре находится трансмон-кубит, подключённый через резонатор к квантово-схемному холодильнику. Холодильник настраивается независимо и может выступать как горячим резервуаром (нагревая кубит), так и холодным (охлаждая его). Это принципиальное отличие от классического двигателя, которому нужны два отдельных источника: горячий и холодный.
Команды подаются последовательностью микроволновых импульсов с точно выверенными временными интервалами. На каждом шаге цикла приборы регистрируют вероятность нахождения кубита в верхнем состоянии — это позволяет отследить, как меняется энергия системы по ходу цикла. Авторы наблюдали положительную выходную работу: часть тепла, проходящего через кубит за цикл, действительно преобразовывалась в работу.
КПД и мощность: что удалось измерить
Речь идёт о доказательстве принципа, а не об источнике энергии. Средняя выходная мощность в повторяющихся циклах составила 0,039 эВ/с, а средний КПД — 0,0055, то есть около 0,55%. Это примерно 27% от идеального КПД цикла Отто для использованного диапазона частот, равного около 2%. Предел Карно для заданных температур был значительно выше, но установка не оптимизировалась как практический генератор.
Зачем это нужно квантовым компьютерам
Практическая мотивация проекта связана не с производством электричества, а с управлением теплом внутри будущих крупных квантовых вычислителей. Финская Стратегия квантовых технологий предусматривает создание к 2035 году квантового компьютера с тысячью логических кубитов. При нынешних технологиях это означает сотни тысяч физических кубитов. Каждый из них требует управляющего микроволнового кабеля от криостата до комнатной температуры — кабелей, стоящих тысячи евро за метр и вносящих паразитный нагрев в сверхохлаждённую систему.
Автономный квантовый двигатель в сверхпроводящей схеме потенциально мог бы считывать состояние кубитов без вывода сигнала наружу. Это позволило бы уменьшить число кабелей и тепловую нагрузку на криостат — два ограничения при масштабировании квантовых компьютеров. Команда профессора Микко Мёттёнена разрабатывает автономную версию двигателя, которая работала бы без внешних управляющих импульсов.
Как соотносится с термодинамикой
Проект вписывается в быстро растущее направление квантовой термодинамики — попытки понять, как законы термодинамики преломляются в условиях, где доминируют квантовые эффекты: суперпозиция, запутанность, квантовые флуктуации. Классическая термодинамика работала с большими ансамблями частиц; квантовые системы существенно меньше, и граница между «работой» и «теплом» там размыта. Демонстрация цикла Отто на одном кубите даёт экспериментальный полигон для проверки теоретических предсказаний о квантовом пределе КПД и квантовых флуктуациях мощности.
Читайте также: Как был устроен другой экспериментальный квантовый двигатель
Установка не производит и не предназначена производить полезную мощность в инженерном смысле. Её ценность — в том, что она работает именно так, как предсказывает теория, и открывает путь к устройствам, которые управляют теплом на квантовом уровне с хирургической точностью.