Een experiment toont aan dat kwantumruis kan worden gebruikt om warmte af te voeren en supergeleidende systemen te koelen, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor het beheersen van energie in kwantumcomputers.
Ruis is een van de grootste vijanden van kwantumcomputers. In systemen die werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, kan elke thermische of elektromagnetische fluctuatie in een oogwenk de informatie die is opgeslagen in de qubits wissen. Jarenlang was een groot deel van de technologische inspanningen gericht op het isoleren, filteren en onderdrukken van die ruis tot het uiterste. Een nieuw experiment toont echter aan dat die strategie niet de enige mogelijke is: ruis kan ook een nuttige hulpbron worden.
Een artikel gepubliceerd in Nature Communications beschrijft de eerste experimentele demonstratie van een door ruis aangedreven kwantumkoelkast in een supergeleidend circuit. In plaats van de fluctuaties te bestrijden, maakt het apparaat er gebruik van om warmte uit een kwantumsysteem te onttrekken en over te brengen naar een warmer systeem. Het resultaat is een autonome thermische machine die in een stabiele toestand werkt en met een hoge mate van controle het gedrag van een kwantumkoeler met drie niveaus reproduceert, een theoretisch idee dat al decennia lang wordt besproken.
Van probleem naar hulpmiddel: ruis in de kwantumfysica
In de meeste kwantumtechnologieën verschijnt ruis als decoherentie, dat wil zeggen als het verlies van de delicate superposities die kwantuminformatieverwerking mogelijk maken. In supergeleidende circuits kan deze ruis verschillende oorzaken hebben: fluctuaties in de magnetische flux, restwarmtestraling of onvolkomenheden in de materialen. Daarom wordt de aanwezigheid ervan vaak rechtstreeks in verband gebracht met fouten en prestatiebeperkingen.
Het uitgangspunt van het nieuwe onderzoek is anders. De auteurs wijzen erop dat “hoewel faseverschuivingsruis kwantumapparaten vaak hindert, het een hulpmiddel kan worden voor kwantumthermische machines”. Deze uitspraak, letterlijk overgenomen uit het wetenschappelijke artikel, vat de conceptuele verandering samen die ten grondslag ligt aan het experiment. Ruis is niet langer een passief element, maar speelt een actieve rol in het transport van energie.
De sleutel ligt in een fenomeen dat bekend staat als ruisondersteund kwantumtransport. In bepaalde systemen kunnen fluctuaties energietransities vergemakkelijken die anders geblokkeerd zouden worden. Dit mechanisme is bestudeerd in kwantumnetwerken en, meer speculatief, in biologische processen zoals fotosynthese. Hier wordt dat principe overgebracht naar een thermische machine die met nanometrische precisie is ontworpen.
Een kunstmatig molecuul gemaakt van supergeleidende qubits
Het hart van het apparaat is een kunstmatig supergeleidend molecuul dat bestaat uit twee aan elkaar gekoppelde transmon-qubits. Hoewel het geen echte atomen bevat, gedraagt de energetische structuur zich op dezelfde manier als die van een diatomisch molecuul. In het relevante regime vertoont het systeem een grondtoestand en twee collectieve aangeslagen toestanden: een symmetrische en een antisymmetrische.
Elk van deze toestanden wordt selectief gekoppeld aan een ander microgolfkanaal. De ene fungeert als een warm bad en de andere als een koud bad, beide geïmplementeerd door middel van golfgeleiders gevuld met quasi-thermische straling. Deze selectiviteit is niet toevallig: ze wordt bereikt door een zorgvuldig ontwerp van de capacitieve verbindingen, zodat elke overgang de voorkeur geeft aan een specifieke thermische omgeving.
Bovendien bevat het systeem een derde kanaal, dat in lengterichting is gekoppeld aan een van de qubits, waardoor gecontroleerde faseverschuivingsruis wordt geïnjecteerd. Dit kanaal dient niet om op conventionele wijze warmte uit te wisselen, maar om incoherente overgangen tussen de symmetrische en antisymmetrische toestanden te induceren. Op deze manier verbindt de ruis de twee aangeslagen niveaus energetisch met elkaar en maakt het de energiestroom tussen de baden mogelijk.
Hoe ruis koeling in gang zet
Bij afwezigheid van ruis wordt elke overgang van het systeem onafhankelijk gethermaliseerd met zijn eigen bad. De symmetrische toestand wisselt energie uit met het warme kanaal en de antisymmetrische toestand met het koude kanaal. In dat scenario is koeling niet mogelijk: het systeem weerspiegelt gewoon de temperaturen die van buitenaf worden opgelegd.
De situatie verandert wanneer faseverschuivingsruis wordt geïntroduceerd. Deze ruis fungeert als een effectief bad met oneindige temperatuur voor de subruimte die wordt gevormd door de twee aangeslagen toestanden. Door hun populaties te mengen, dwingt het systeem zich voortdurend aan te passen aan de werkelijke baden om het evenwicht te herstellen. Die aanpassing vertaalt zich in netto energiestromen.
Zoals het artikel uitlegt, “fungeert faseverschuivingsruis als een bad met oneindige temperatuur voor de subruimte die wordt gevormd door de aangeslagen toestanden, waardoor deze naar een evenwichtige mix wordt gedreven”. Afhankelijk van de relatieve temperaturen en de frequenties van de overgangen kan dit proces energie onttrekken aan het koude bad en deze overbrengen naar het warme bad, precies wat een koelkast definieert.
Het experiment toont aan dat er een duidelijk omschreven reeks parameters bestaat waarin de warmtestroom tegen de thermische gradiënt in gaat. In dat regime functioneert de machine als een autonome kwantumkoelkast die uitsluitend door ruis wordt aangedreven, zonder dat er periodieke externe controle of klassieke mechanische arbeid nodig is.
Het bijna onmogelijke meten: minuscule warmtestromen
Een van de grote uitdagingen van het werk is het direct meten van extreem kleine warmtestromen. In dit apparaat wordt de energie getransporteerd in de vorm van microgolf fotonen, en de betrokken vermogens zijn in de orde van attowatt, dat wil zeggen 10⁻¹⁸ watt. Het detecteren van zulke subtiele variaties vereist uitzonderlijk gevoelige instrumenten.
De onderzoekers combineren metingen van de spectrale vermogensdichtheid met directe tijdelijke metingen van het elektromagnetische veld. Dankzij deze strategie kunnen ze bepalen of het systeem fotonen uitzendt of absorbeert in elk van de kanalen, en zo de warmtestromen reconstrueren. Het artikel benadrukt dat “we rechtstreeks warmtestromen van microgolf fotonen op attowatt-schaal oplossen”, een zeldzame capaciteit, zelfs in geavanceerde kwantumfysica-experimenten.
Deze metingen bevestigen niet alleen het bestaan van het effect, maar maken het ook mogelijk om de resultaten te vergelijken met theoretische modellen op basis van Lindblad-achtige mastervergelijkingen. De overeenstemming tussen theorie en experiment is opmerkelijk en wordt verkregen zonder aangepaste parameters, wat de degelijkheid van de interpretatie versterkt.
Drie machines in één: koelkast, motor en thermische versneller
Door de effectieve temperaturen van de baden en de intensiteit van het geluid te variëren, kan hetzelfde apparaat in verschillende modi werken. In het ene regime functioneert het als een thermische motor, waarbij temperatuurgradiënten worden omgezet in energiestromen naar het ruiskanaal. In het andere regime fungeert het als een thermische versneller, waarbij het warmtetransport in de natuurlijke richting van de gradiënt wordt geïntensiveerd.
De meest opvallende modus is die van koeling. In dat geval wordt het kanaal dat verband houdt met de antisymmetrische toestand nog verder afgekoeld, terwijl het symmetrische kanaal wordt verwarmd. Het geluid levert de energie die nodig is om het verschil tussen de frequenties van de overgangen te overbruggen. Zoals de auteurs aangeven: “we tonen de energiefluxdynamica aan die kenmerkend is voor een kwantumkoeler, een thermische motor en een thermische versneller”.
Het rendement van de koeler wordt gekwantificeerd aan de hand van de coëfficiënt van prestatie of COP. In het experiment bereikt deze waarde cijfers die dicht bij de Carnot-grens liggen voor de beschouwde temperaturen, wat aangeeft dat het proces niet alleen conceptueel interessant is, maar ook thermodynamisch efficiënt binnen zijn theoretische kader.
Waarom is dit belangrijk voor kwantumtechnologie?
Naast de fundamentele demonstratie richt het onderzoek zich op concrete toepassingen. In steeds grotere kwantumprocessors wordt de warmte niet gelijkmatig verdeeld. Controle- en leesoperaties genereren lokale energiehaarden die conventionele koelsystemen niet altijd efficiënt kunnen afvoeren.
Een geïntegreerde kwantumkoelkast, die in staat is om warmte op microscopische schaal om te leiden, zou een aanvulling kunnen vormen op de huidige cryostaten en de stabiliteit van de apparaten kunnen verbeteren. Bovendien opent het experiment een weg om kwantumthermodynamica onder zeer gecontroleerde omstandigheden te bestuderen, wat essentieel is om de fysische grenzen van kwantumcomputers te begrijpen.
De auteurs benadrukken zelf dat hun systeem moet worden gezien als een analoge kwantumsimulatie van een door ruis ondersteunde koeler. Toch toont het aan dat lang theoretische concepten, zoals Brownse koeling, kunnen worden gerealiseerd in echte, meetbare circuits.
