أول محرك حراري كمي فائق التوصيل في العالم يمكنه إحداث تحول في الحوسبة الكمومية

آلة أصغر من حبة الرمل حولت الحرارة إلى عمل مفيد قريب الصفر المطلقمما يفتح طريقًا جديدًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر قوة.

الباحثون في جامعة آلتو قاموا ببناء أول محرك حراري كمي دوري داخل دائرة فائقة التوصيل. يستخدم الجهاز الكيوبت، الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية، كمادة عاملة ويحركها بشكل متكرر من خلال التدفئة والتبريد وتحويل الطاقة.

ونشرت الدراسة التي أجراها البروفيسور ميكو موتونن في الأكاديمية اتصالات الطبيعة.

والنتيجة تجلب تكنولوجيا مألوفة إلى عالم غير مألوف. تعمل المحركات الحرارية التقليدية على تشغيل المركبات ومحطات الكهرباء عن طريق نقل الطاقة بين البيئات الساخنة والباردة. يتبع جهاز آلتو نفس المبدأ الأساسي، لكنه يعمل على نطاق مجهري حيث تحدد ميكانيكا الكم كيفية تصرف الطاقة.

كيف يصبح Qubit محركًا

يوجد في وسط المحرك وحدة إرسال كمومية قابلة للضبط ومتصلة برنان وثلاجة دائرة كمومية. تُستخدم Transmons على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل لأنها تستطيع تخزين ومعالجة المعلومات الكمومية أثناء التحكم فيها بإشارات الموجات الدقيقة.

لعبت الثلاجة دورين متعارضين. وبدلاً من الحاجة إلى خزانات منفصلة ساخنة وباردة، قام الباحثون بتعديل جهاز واحد إما لتسخين أو تبريد الكيوبت. ثم قاموا بتغيير مستوى طاقة الكيوبت في لحظات مختارة بعناية، ليكملوا المراحل الأربع لدورة أوتو الكمومية.

تُعرف دورة أوتو بأنها العملية الديناميكية الحرارية وراء العديد من محركات البنزين. ولكن في هذه التجربة، لم تكن المادة العاملة عبارة عن غاز مضغوط داخل أسطوانة. لقد كان عبارة عن كيوبت يتبادل كميات صغيرة جدًا من الطاقة داخل دائرة مبردة.

يقول توماس أوسناكي، المؤلف الأول للدراسة: “في تجربتنا، قمنا ببناء محرك حراري مصنوع من مواد نانوية باستخدام دوائر فائقة التوصيل وقمنا بتشغيله في ناظم البرد بالقرب من الصفر المطلق. وفي قلبه يوجد الكيوبت المرسل، وهو أحد اللبنات الأساسية لتقنيات الكم الحديثة”.

قياس الحرارة والعمل والكفاءة

بدأ الفريق بالكيوبت في حالة حرارية وقاموا بتشغيل المحرك لما يصل إلى ثلاث دورات متتالية. سمحت القياسات المفردة للباحثين بتتبع التغيرات في حالة الكيوبت وحساب مقدار الحرارة التي امتصها، ومقدار العمل الذي أنتجه، ومدى كفاءة عمله.

“يمكن ضبط ثلاجة الدائرة الكمومية الخاصة بنا لتسخين وتبريد الكيوبت عند الطلب. وباستخدام نبضات تحكم موقوتة بعناية، قمنا بقيادة المحرك في دورة أوتو ومراقبة حالة الكيوبت أثناء تشغيل المحرك”، يوضح أوسناكي.

أظهرت القياسات أن المحرك أنتج عملاً إيجابيًا بدلاً من مجرد نقل الحرارة حول الدائرة. وتتفق قوتها وكفاءتها الملحوظة أيضًا مع عمليات المحاكاة التي أجراها الباحثون، مما يوفر دليلاً على أن الجهاز يتصرف كمحرك حراري دوري حقيقي.

يقول أوسناكي: “هذا هو أول عرض تجريبي لمحرك حراري كمي دوري في دوائر فائقة التوصيل. إن استخدام ثلاجة كمومية واحدة يمكن التحكم فيها، حيث أن البيئة الساخنة والباردة للمحرك تجعل الأمر أبسط وأكثر تنوعًا”.

لماذا تعتبر الدوائر فائقة التوصيل مهمة؟

سبق أن تم إثبات المحركات الحرارية الكمومية باستخدام أنظمة تشمل الأيونات المحاصرة، والغازات الذرية، والسبينات النووية، والعيوب في الماس. تعتبر الدوائر فائقة التوصيل ذات أهمية خاصة لأنها بالفعل من بين المنصات الرائدة في مجال الاتصالات الحوسبة الكموميةوالاتصالات والاستشعار. ومع ذلك، حتى الآن، لم تكتمل أي تجربة لمحرك حراري كمي دوري باستخدام هذه التقنية.

إن الأهمية المباشرة ليست في حجم العمل الناتج، والذي هو صغير للغاية. بدلًا من ذلك، تُظهر التجربة أنه يمكن التحكم في الحرارة وتحويلها عمدًا داخل نفس النوع من الدوائر المستخدمة لبناء المعالجات الكمومية.

طريق محتمل لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكبر حجمًا

وقد تصبح هذه القدرة ذات قيمة مع نمو أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تعتمد الآلات فائقة التوصيل اليوم على أعداد كبيرة من كابلات الموجات الدقيقة التي تعمل بين الإلكترونيات في درجة حرارة الغرفة والمعالجات المحفوظة عند درجات حرارة لا تزيد عن جزء من الدرجة فوق الصفر المطلق. يضيف كل كابل تكلفة، ويشغل مساحة، ويمكن أن يحمل حرارة أو ضوضاء غير مرغوب فيها إلى النظام.

ويعمل الباحثون الآن على إصدار نسخة مستقلة تمامًا من المحرك. أحد التطبيقات المحتملة هو قراءة حالة الكيوبت دون إرسال إشارة الميكروويف من المعالج البارد إلى درجة حرارة الغرفة. إن وضع المزيد من وظائف التحكم مباشرة داخل الدائرة المبردة يمكن أن يقلل من كمية الأسلاك الخارجية المطلوبة.

يقول موتونن: “تتصور استراتيجية التكنولوجيا الكمومية الفنلندية حاسوبًا كميًا مزودًا بألف كيوبت منطقية بحلول عام 2035، وهو ما يعني على الأرجح مئات الآلاف من الكيوبتات المادية. ويتطلب القيام بذلك باستخدام التكنولوجيا الحالية ملايين كابلات الموجات الدقيقة التي تبلغ تكلفة كل منها آلاف اليورو. كما تُحدث الكابلات ضوضاء في النظام. واستخدام الأجهزة المستقلة بدلاً من ذلك سيؤدي في الغالب إلى إلغاء الحاجة إلى تلك الكابلات”.

المرجع: “عرض أولي لمحرك حراري كمي يعتمد على دوائر فائقة التوصيل مصممة هندسيًا للتبديد” بقلم توماس أوسناكي وتيم مورستيدت ووالاس تيكسيرا وميكا راسولا وميكو موتونين، 5 مايو 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-72651-x

استخدم الباحثون مرافق أوتانانو، البنية التحتية البحثية الوطنية لفنلندا في مجال تكنولوجيا النانو والجزئي والكم في دراستهم الرائدة. تم تمويل العمل من قبل مجلس البحوث الفنلندي والمؤسسة الثقافية الفنلندية.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.