Wärmekraftmaschinen trieben die industrielle Revolution an, indem sie Wärme in nutzbare Arbeit umwandelten. Nun haben Physiker die erste zyklische Quantenwärmekraftmaschine in einer supraleitenden Schaltung gebaut – ein winziges Gerät, das die kaum vorhandene Wärme nahe dem absoluten Nullpunkt in positive Arbeit umwandelt.

Das Experiment unter der Leitung von Akademieprofessor Mikko Möttönen an der Aalto-Universität, veröffentlicht in Nature Communications, nutzt ein Transmon-Qubit – einen der Grundbausteine moderner Quantencomputer – verbunden mit einem Quantenschaltkreis-Kühlschrank. Anders als eine klassische Maschine, die getrennte heiße und kalte Reservoire braucht, lässt sich der Quantenkühlschrank so einstellen, dass er das Qubit nach Bedarf sowohl heizt als auch kühlt. Mit sorgfältig getimten Steuerpulsen trieb das Team das Gerät durch einen Otto-Kreislauf – denselben thermodynamischen Prozess, der Automotoren antreibt – und beobachtete, wie die durch das Qubit fließende Wärme positive Arbeit erzeugte.

„Dies ist die erste experimentelle Demonstration einer zyklischen Quantenwärmekraftmaschine in supraleitenden Schaltungen“, sagte Erstautor Tuomas Uusnäkki. „Einen einzigen steuerbaren Quantenkühlschrank als heiße und kalte Umgebung der Maschine zu nutzen, macht sie einfacher und vielseitiger.“

Die Motivation des Teams ist praktisch: Eine vollständig autonome Maschine auf einem Chip könnte Qubits auslesen, ohne Mikrowellenpulse zwischen Millikelvin-Temperaturen und Raumtemperatur zu leiten. Finnlands Ziel eines Quantencomputers mit tausend logischen Qubits bis 2035 würde heute vermutlich Hunderttausende physischer Qubits erfordern – und mit der aktuellen Technik Millionen von Mikrowellenkabeln, die jeweils Tausende Euro kosten. Die Kabel erzeugen zudem Rauschen. „Autonome Geräte stattdessen zu nutzen, würde den Bedarf an diesen Kabeln weitgehend eliminieren“, sagt Möttönen.

Über das Quantencomputing hinaus treibt das Ergebnis das junge Feld der Quantenthermodynamik voran – wie die seltsamen Phänomene der Quantenmechanik wie Verschränkung und Superposition mit der nüchternen Gewissheit klassischer Maschinen zusammenspielen. Die Forschenden nutzten OtaNano, Finnlands nationale Forschungsinfrastruktur für Nano-, Mikro- und Quantentechnologie.

Quellen