Odprowadzanie ciepła w wydajnych komputerach kwantowych
Termodynamika narodziła się w XIX w., kiedy to naukowcy zaczęli pracować nad budową i obsługą silników parowych, i jest gałęzią fizyki zajmującą się energią i pracą układów. Dzięki niej powstało wiele wynalazków, które faktycznie odmieniły nasze życie, znajdujących zastosowanie w takich urządzeniach, jak lodówki, klimatyzatory czy odrzutowce. Do niedawna termodynamikę stosowano do dużych układów opisywanych przez prawa fizyki klasycznej. Za sprawą współczesnych komputerów, zminiaturyzowanych do skali nano, i systemów kwantowych, naukowcy zmienili swój pogląd na to, że termodynamika dotyczy wyłącznie dużych układów, i zaczęli zdawać sobie sprawę, iż ma ona zastosowanie we wszystkich skalach. Termodynamika kwantowa to dość nowa dziedzina, badająca relacje między termodynamiką i mechaniką kwantową. W tym kontekście uczeni muszą zrewidować swoją pozornie sprawdzoną wiedzę na temat ciepła i pracy. Ciepło i praca kwantowa podlegają fluktuacjom kwantowym, które są opisywane przez relacje matematyczne nazywane relacjami fluktuacji. W tym kontekście, w ramach projektu NEQUFLUX (Nonequilibrium quantum fluctuations in superconducting devices), finansowanego ze środków UE, przeprowadzono eksperymenty mające na celu przetestowanie i zastosowanie kwantowych relacji fluktuacji do tworzenia wydajnych nanourządzeń kwantowych. Na nanourządzenia można spojrzeć jako na kwantowe silniki cieplne, przypominające silniki parowe i pobierające ciepło z ciepłego źródła (rezystora), wydatkujące jego część na pracę (w postaci fotonów) i odprowadzające resztę do zimnego źródła (także rezystora). Silnik może też pracować jako kwantowa chłodziarka, umożliwiając w ten sposób chłodzenie na przykład elementów mikroukładu. Transportem ciepła w układzie zarządzają specjalne operacje nazywane bramkami kwantowymi. Przeprowadzony eksperyment pozwolił na zmierzenie ciepła i pracy kwantowej oraz ich fluktuacji. Urządzenie pracowało w bardzo niskiej temperaturze i było oparte na obwodach nadprzewodzących. Inna część badań dotyczyła opracowania urządzenia wyposażonego w podobne obwody nadprzewodzące, wykorzystujące zewnętrzną energię do transportu ładunku z jednego miejsca nadprzewodzącego przewodu na układzie do drugiego. W nadprzewodniku elektrony wiążą się w pary, nazywane parami Coopera, a urządzenie umożliwia manipulowanie i transportowanie takich par, nawet w obecności szumów cieplnych w przewodach. Podsumowując, w ramach projektu NEQUFLUX zbadano metody na wykorzystanie technologii opracowanej pod kątem obliczeń kwantowych, wykorzystującej obwody nadprzewodzące do sterowania i kontrolowania ciepła i ładunku — a nie informacji — w tych układach.