Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали первый в своем роде квантовый холодильник, работающий за счет шума. В этом устройстве помехи и флуктуации, которые обычно считаются вредными для квантовых систем и снижают их стабильность, используются как источник энергии для охлаждения.
В основе разработки лежит «шумовой» принцип переноса энергии против температурного градиента – от более холодного объекта к более горячему. Роль рабочего тела здесь играют не упорядоченные циклы, а хаотические колебания. Для реализации этой идеи ученые создали искусственную молекулу из двух сверхпроводящих кубитов – миниатюрных квантовых объектов, которые можно точно настраивать и контролировать. Кубиты были связаны между собой и подключены к двум микроволновым волноводам, выполняющим роль горячей и холодной тепловых ванн, то есть резервуаров, между которыми происходит обмен энергией.
Ключевым элементом схемы стала третья управляющая линия, подключенная к одному из кубитов. На нее подавался специально сформированный шумовой сигнал, вызывающий дефазировку – потерю квантовой когерентности в системе. Обычно этот процесс считается нежелательным, однако в данном случае именно контролируемая дефазировка выступила в роли «двигателя», заставляющего энергию перетекать от холодного резервуара к горячему. Для регистрации столь слабых эффектов исследователи разработали высокочувствительную измерительную систему, позволившую фиксировать тепловые потоки по спектру микроволнового излучения на уровне аттоватт – миллиардных долей миллиардной доли ватта.
Эксперимент показал, что устройство может работать в трех различных режимах в зависимости от соотношения эффективных температур резервуаров. В одном режиме система действует как квантовый тепловой двигатель, преобразующий разность температур в направленный поток энергии.
В другом – как холодильник, переносящий тепло из холодной области в более горячую вопреки естественному ходу теплопередачи.
В третьем режиме схема работает как «тепловой ускоритель», усиливая естественный поток энергии между резервуарами.
Наиболее значимым результатом стал именно холодильный режим, в котором было продемонстрировано устойчивое охлаждение микроволновых мод за счет шумовой накачки.
В дальнейшем ученые планируют подключать такие квантовые холодильники не только к волноводам, но и к реальным элементам с конечной теплоемкостью – например, к микроскопическим резисторам или другим компонентам сверхпроводящих схем. В этом случае отбор энергии должен приводить уже к измеримому снижению их физической температуры, что приблизит шумовые квантовые холодильники к практическому применению в квантовой электронике и вычислительных системах.
