Un moteur thermique quantique supraconducteur ouvre la voie à des ordinateurs quantiques avancés
Un moteur thermique quantique récemment développé pourrait approfondir notre compréhension de la thermodynamique tout en aidant à faire progresser les technologies nécessaires aux ordinateurs quantiques dotés d’un grand nombre de qubits. Des chercheurs de l’Université Aalto ont réalisé une avancée significative en démontrant le premier moteur thermique quantique cyclique construit à l’intérieur d’un circuit supraconducteur.
Cette expérience relie deux domaines de la physique qui décrivent généralement des échelles très différentes. La mécanique quantique explique le comportement de la matière à des échelles extrêmement petites, même en dessous de la taille des atomes, tandis que la thermodynamique décrit comment la chaleur et l’énergie se comportent dans des systèmes beaucoup plus grands, allant des collections de molécules à l’univers lui-même. L’interaction de ces deux domaines soulève une question fondamentale : que se passe-t-il avec les processus thermodynamiques familiers lorsque des effets quantiques tels que le tunneling, l’intrication et la superposition entrent en jeu ?
Les chercheurs ont créé le premier moteur thermique quantique supraconducteur au monde. Ce dispositif extrêmement petit combine un qubit transmon, un résonateur et un réfrigérateur quantique. Fonctionnant dans des conditions quantiques ultra-froides, le moteur a pu utiliser la minuscule quantité de chaleur disponible pour produire de manière répétée un travail positif. Ce type d’opération cyclique a été un objectif important pour les chercheurs travaillant sur des moteurs thermiques quantiques, fournissant une preuve de concept pour des moteurs thermiques supraconducteurs qui pourraient finalement contribuer à améliorer la technologie de l’informatique quantique.
L’étude, dirigée par le professeur Mikko Möttönen, a été publiée dans Nature Communications. Pour faire fonctionner le moteur, les chercheurs ont reproduit un cycle Otto à l’intérieur d’un circuit supraconducteur. Le cycle Otto est un processus thermodynamique également utilisé dans les moteurs de voiture et d’autres machines conventionnelles.
Les chercheurs ont connecté le qubit transmon à un réfrigérateur de circuit quantique, permettant de contrôler le flux de chaleur à l’échelle quantique et de démontrer que cette chaleur pouvait être transformée en travail mesurable. Un moteur thermique conventionnel repose normalement sur des environnements chauds et froids séparés. Dans ce système, cependant, le même réfrigérateur quantique peut fournir à la fois chauffage et refroidissement.
Les chercheurs s’efforcent maintenant d’améliorer la conception et de développer éventuellement un moteur thermique entièrement autonome. Une utilisation possible serait de lire les qubits sans avoir à transporter une impulsion micro-ondes depuis des températures millikelvin jusqu’à la température ambiante. Cette capacité pourrait devenir particulièrement précieuse à me que les ordinateurs quantiques se développent.
L’expérience pionnière a été réalisée à OtaNano, l’infrastructure nationale de recherche de la Finlande pour les technologies nano, micro et quantiques. Le financement a été assuré par le Conseil de recherche de Finlande et la Fondation culturelle finlandaise.
(Source : Aalto University)
