Forskare bygger värmeventiler av kvantbitar

I en artikel publicerad i prestigefyllda Nature Physics presenterar forskningsgruppen, ledd av professor Jukka Pekola, hur kvantsystem interagerar och utbyter energi med sin makroskopiska omgivning samt inom systemet självt. Pekolas grupp undersöker system där kvantinformation och termodynamiska fenomen förekommer samtidigt.

”Vi har konstruerat en värmeventil i miniatyr byggt av en artificiell atom, en supraledande kvantbit, eller qubit– byggstenen för både kvantdatorer och kvantvärmemaskiner”, förklarar professor Pekola.

I kvantdatorer måste qubitarna kopplas bort från den brusiga omvärlden för att bibehålla ett skört kvanttillstånd, men i kvantvärmemaskiner måste systemet kopplas ihop med sin omgivning så att värmen kan överföras.

Ett särskilt förbryllande problem kvarstår: hur kan ett kvantsystem anslutet till externa värmekällor uppnå termisk jämvikt när värme rör sig mellan system med hjälp av enskilda fotoner?

”Vi styr en qubit med hjälp av ett magnetfält, så att vi kan använda den som en styrventil. Vi låter antingen fotoner, som fungerar som behållare för värmen, passera igenom qubiten eller så blockerar vi deras flöde, förklarar forskaren Alberto Ronzani, försteförfattare till artikeln.

En kvantvärmemaskin kan omvandla värmeenergi till elektrisk eller mekanisk energi - eller omvänt, användas som kylare.

”Vårt arbete visar hur en värmeventil kan fungera i vissa specifika fall. Vi strävar efter att förstå hur kvantkylare och -värmemaskiner fungerar, genom att kombinera experimentella och teoretiska insatser, men har ännu inte kunnat få en helhetsbild av överföringen mellan förlustfria system och system med total förlust. Det är en utmaning för framtiden”, säger Pekola.

Förutom Pekola och Ronzani består teamet av doktoranderna Bayan Karimi och Jorden Senior, doktor Joonas Peltonen samt Yu-Chen Chang och doktor ChiiDong Chen från National Taiwan University och Institute of Physics, Academia Sinica, i Taiwan, Republiken Kina, som bidragit med experimentellt arbete.

Jukka Pekola leder spetsforskningsenheten för kvantteknologi, finansierad av Finlands akademi. Den experimentella forskningen utfördes vid den nationella forskningsinfrastrukturen OtaNano för mikro-, nano- och kvantteknologi i Finland.

Forskningsartikel: A. Ronzani, B. Karimi, J. Senior, Y.-C. Chang, J.T. Peltonen, C.D. Chen, and J.P. Pekola: ‘Tunable photonic heat transport in a quantum heat valve’. Nature Physics 14:7 (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0199-4.

Mer information:
Jukka Pekola, akademiprofessor
[email protected]
tel. +358 50 344 2697

Bild: Jorden Senior / Aalto University