Finlandiya’daki Aalto Üniversitesi araştırmacıları, süperiletken bir devre içerisinde çalışan döngüsel kuantum ısı motorunu deneysel olarak gösterdi. Transmon kübit, rezonatör ve kuantum devre buzdolabından oluşan nanometre ölçeğindeki cihaz, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalıştırıldı.

Deney sırasında sistemdeki son derece küçük ısı akışı kontrol edilerek ölçülebilir pozitif işe dönüştürüldü. Araştırmacılar, bu sonucun süperiletken devrelerde çalışan döngüsel bir kuantum ısı motorunun ilk deneysel gösterimi olduğunu belirtiyor.

Mikko Möttönen liderliğindeki çalışma, hakemli bilimsel dergi Nature Communications’ta yayımlandı. Ancak araştırmacılar, cihazın mevcut güç ve verim değerlerinin henüz pratik kullanım için yeterli olmadığını; deneyin öncelikle bir kavram kanıtı niteliği taşıdığını vurguluyor.

Kuantum dünyasında Otto çevrimi

Klasik ısı motorları, sıcaklık farkından yararlanarak ısıyı mekanik ya da elektriksel işe dönüştürüyor. James Watt’ın buhar makinesi bunun en bilinen örneklerinden biri olsa da aynı temel prensip bugün otomobillerden uçaklara ve elektrik santrallerine kadar pek çok sistemde kullanılıyor.

Aalto Üniversitesi ekibi, deneyde otomobil motorlarında da kullanılan dört aşamalı Otto çevriminin kuantum ölçeğindeki karşılığını oluşturdu. Sistemin çalışma ortamı olarak manyetik akıyla ayarlanabilen bir transmon kübit kullanıldı.

Çalışmanın ilk yazarı Tuomas Uusnäkki, sistemi şöyle açıkladı:

“Deneyimizde süperiletken devrelerden yararlanarak nano ölçekte bir ısı motoru geliştirdik ve sistemi mutlak sıfıra yakın sıcaklıktaki bir kriyostat içerisinde çalıştırdık. Motorun merkezinde, modern kuantum teknolojilerinin temel yapı taşlarından biri olan transmon kübit bulunuyor.”

Kübitin frekansı manyetik akı darbeleriyle değiştirilirken kuantum devre buzdolabı da kübiti sırayla ısıtmak ve soğutmak için kullanıldı. Böylece klasik bir Otto çevriminin sıkıştırma, ısı alma, genleşme ve ısı bırakma aşamalarına karşılık gelen bir kuantum çevrimi oluşturuldu.

Tek cihaz hem sıcak hem soğuk ortam sağladı

Geleneksel ısı motorlarının çalışması için genellikle ayrı bir sıcak ve soğuk kaynağa ihtiyaç duyuluyor. Geliştirilen sistemde ise ayarlanabilir kuantum devre buzdolabı, kübit için hem sıcak hem de soğuk ısıl rezervuar görevi üstlendi.

Uusnäkki, kuantum devre buzdolabının istenildiğinde kübiti ısıtacak ya da soğutacak biçimde ayarlanabildiğini belirterek, dikkatle zamanlanmış kontrol darbeleri sayesinde motorun Otto çevriminde çalıştırıldığını ve kübit durumunun çevrim boyunca takip edildiğini söyledi.

Ölçümler, kübitten geçen ısının pozitif iş ürettiğini gösterdi. Araştırmacılar, motorun ilk birkaç çevriminde pozitif çıkış gücü elde etti ve ölçülen değerlerin açık kuantum sistemi simülasyonlarıyla büyük ölçüde uyuştuğunu belirledi.

Çalışmada tekrarlanan çevrimlerin ortalama verimi yüzde 0,55 olarak hesaplandı. Bu değer, deney düzeneğinin izin verdiği ideal Otto veriminin yaklaşık yüzde 27’sine karşılık geliyor. Bilim insanları, mevcut güç ve verimin düşük olduğunu, dolayısıyla cihazın şimdilik doğrudan pratik bir uygulamasının bulunmadığını açıkça belirtiyor.

Büyük kuantum bilgisayarlara katkı sağlayabilir

Araştırmacıların sonraki hedefi, dışarıdan sürekli kontrol darbelerine ihtiyaç duymadan çalışabilecek tamamen otonom bir kuantum ısı motoru geliştirmek. Böyle bir cihazın gelecekte kübitlerin durumunu doğrudan düşük sıcaklıktaki devre üzerinde okuyabilmesi öngörülüyor.

Günümüzde süperiletken kuantum bilgisayarlarda kübitleri kontrol etmek ve ölçmek için milikelvin sıcaklıklardaki işlemciler ile oda sıcaklığındaki elektronik sistemler arasında çok sayıda mikrodalga bağlantısı kurulması gerekiyor. Kübit sayısı yükseldikçe bu kabloların kapladığı alan, oluşturduğu ısı yükü, maliyeti ve sisteme taşıdığı gürültü ciddi bir ölçeklendirme sorununa dönüşüyor.

Möttönen, Finlandiya’nın Kuantum Teknolojisi Stratejisi’nin 2035 yılına kadar bin mantıksal kübitli bir kuantum bilgisayarı hedeflediğini, bunun muhtemelen yüz binlerce fiziksel kübit gerektireceğini söyledi. Mevcut teknolojiyle böyle bir sistemin çok büyük miktarda mikrodalga bağlantısına ihtiyaç duyacağını belirten Möttönen, devreye entegre otonom aygıtların kablo gereksinimini önemli ölçüde azaltabileceğini ifade etti.

Bununla birlikte geliştirilen motor, bugün büyük bir kuantum bilgisayarda kullanılmaya hazır değil. Deneyin asıl önemi, süperiletken devrelerde ısı akışının kontrollü biçimde işe dönüştürülebileceğini göstermesi ve gelecekte geliştirilebilecek otonom kuantum bileşenleri için deneysel bir temel oluşturması.

Derleyen: Yağmur Saatcı