Yeni hazırlanmış superkeçirici kvant istilik mühərriki, çox sayda kubitə malik kvant kompüterləri üçün lazım olan texnologiyaların inkişaf etdirilməsinə kömək edərkən termodinamika haqqında anlayışımızı dərinləşdirə bilər.

Alimlər termodinamikanın kvant dünyasında necə davrandığı barədə daha aydın bir təsəvvür əldə edirlər və bu irəliləyiş həm kvant texnologiyasına, həm də tanış termodinamik prinsipləri anlamağımıza fayda verə bilər. Aalto Universitetinin tədqiqatçıları artıq ifrat keçirici dövrənin içərisində qurulmuş ilk tsiklik kvant istilik mühərrikini nümayiş etdirməklə mühüm bir addım atıblar.

Bu təcrübə, adətən çox fərqli miqyasları təsvir edən fizikanın iki sahəsini birləşdirir. Kvant mexanikası maddənin davranışını, hətta atomların ölçüsündən də aşağı miqyaslarda belə izah edir, termodinamika isə istilik və enerjinin molekullar toplusundan kainatın özünə qədər daha böyük sistemlərdə necə davrandığını təsvir edir. İkisini bir araya gətirmək fundamental bir sual doğurur: tunelləşmə, dolaşıqlıq və superpozisiya kimi kvant effektləri ortaya çıxdıqda tanış termodinamik proseslərə nə olur?

Kvant Dünyası üçün Qurulmuş İstilik Mühərriki

Ənənəvi istilik mühərrikləri istiliyi faydalı işə çevirir. Ceyms Vattın buxar mühərriki buna məşhur bir nümunədir, lakin eyni əsas konsepsiya müasir nəqliyyat və elektrik enerjisi istehsalında, avtomobillərin, gəmilərin, təyyarələrin və bir çox elektrik stansiyalarının hərəkətə gətirilməsində mərkəzi yer tutur.

Tədqiqatçılar artıq dünyanın ilk superkeçirici kvant istilik mühərrikini yaradıblar. Son dərəcə kiçik cihaz transmon kubit, rezonator və kvant soyuducusunu birləşdirir.

Ultra soyuq kvant şəraitində işləyən mühərrik, az miqdarda mövcud istiliyi dəfələrlə müsbət iş yaratmaq üçün istifadə edə bildi. Bu cür tsiklik əməliyyata nail olmaq kvant istilik mühərrikləri üzərində işləyən tədqiqatçılar üçün vacib bir məqsəd olmuşdur. Nəticə, nəticədə təkmilləşdirilmiş kvant hesablama texnologiyasına töhfə verə biləcək superkeçirici istilik mühərrikləri üçün konsepsiyanın sübutunu təqdim edir.

Akademiya professoru Mikko Möttönenin rəhbərlik etdiyi tədqiqat Nature Communications jurnalında dərc edilib .

Mütləq Sıfıra Yaxın Otto Dövrünün Yenidən Yaradılması

Mühərrikin işləməsi üçün tədqiqatçılar superkeçirici dövrə daxilində Otto dövrəsini təkrarladılar. Otto dövrü avtomobil mühərriklərində və digər ənənəvi maşınlarda da istifadə olunan termodinamik bir prosesdir.

Tədqiqatın ilk müəllifi Tuomas Uusnäkki deyir: “Təcrübəmizdə superkeçirici dövrələrdən istifadə edərək nanofabrik istilik mühərriki qurduq və onu mütləq sıfıra yaxın bir kriostatda işlətdik. Onun mərkəzində müasir kvant texnologiyalarının əsas tikinti bloklarından biri olan transmon kubit dayanır”.

Tədqiqatçılar transmon kubiti kvant dövrə soyuducusuna qoşdular və bu, onlara kvant miqyasında istilik axınını idarə etməyə və bu istiliyin ölçülə bilən işə çevrilə biləcəyini nümayiş etdirməyə imkan verdi. Ənənəvi istilik mühərriki adətən ayrı-ayrı isti və soyuq mühitlərdən istifadə edir. Lakin bu sistemdə eyni kvant soyuducusu həm isitmə, həm də soyutma təmin edə bilər.

Uusnäkki izah edir: “Kvant dövrəli soyuducumuz tələb olunduqda kubitin həm istiləşməsinə, həm də soyumasına uyğunlaşdırıla bilər. Diqqətlə vaxtlanmış idarəetmə impulslarından istifadə edərək mühərriki Otto dövrəsində idarə etdik və mühərrik işlədikcə kubit vəziyyətini izlədik”.

Ölçmələr göstərdi ki, dövr ərzində kubitdən keçən istilik müsbət iş yaradır.

Uusnäkki deyir: “Bu, ifratkeçirici dövrələrdə tsiklik kvant istilik mühərrikinin ilk eksperimental nümayişidir. Mühərrikin həm isti, həm də soyuq mühiti kimi tək idarəolunan kvant soyuducusundan istifadə onu daha sadə və daha çox yönlü edir”.

Muxtar Kvant Kompüter Avadanlığına Doğru

Tədqiqatçılar hazırda dizaynı təkmilləşdirməyə və nəticədə tam muxtar istilik mühərriki hazırlamağa çalışırlar. Mümkün istifadələrdən biri millikelvin temperaturundan otaq temperaturuna qədər mikrodalğalı impuls daşımadan kubitləri oxumaq olardı.

Bu qabiliyyət kvant kompüterləri inkişaf etdikcə xüsusilə dəyərli ola bilər. Superkeçirici dövrələrə birbaşa inteqrasiya olunmuş muxtar qurğular çox sayda kubit ehtiva edən maşınların həm qiymətini, həm də mürəkkəbliyini azalda bilər.

“Finlandiyanın Kvant Texnologiyaları Strategiyası 2035-ci ilə qədər min məntiqi kubitə malik kvant kompüterini nəzərdə tutur ki, bu da, ehtimal ki, yüz minlərlə fiziki kubit deməkdir. Bunu mövcud texnologiya ilə etmək üçün hər biri min avroya başa gələn milyonlarla mikrodalğalı kabel tələb olunur. Kabellər həmçinin sistemə səs-küy salır. Bunun əvəzinə muxtar cihazlardan istifadə bu kabellərə olan ehtiyacı aradan qaldıracaq”, – deyə Möttönen bildirir.

Buna görə də, bu mikrodalğalı bağlantılara olan ehtiyacın azaldılması eyni anda iki problemi həll edə bilər: böyük kvant kompüterlərinin nəhəng aparat tələbləri və kabellərin kvant sistemlərinə gətirə biləcəyi istənməyən səs-küy.

İlk təcrübə Finlandiyanın nano, mikro və kvant texnologiyaları üzrə milli tədqiqat infrastrukturu olan OtaNano istifadə edilərək həyata keçirilib. Maliyyələşdirmə Finlandiya Tədqiqat Şurası və Finlandiya Mədəniyyət Fondu tərəfindən təmin edilib.