Supravodivý kvantový tepelný stroj. Kredit: Heikka Valja / Aalto University.

Vědce už nějakou dobu fascinuje představa propojení klasické termodynamiky s kvantovou mechanikou. Zatímco kvantová mechanika typicky popisuje chování částic v nesmírně malém mikrosvětě, termodynamika se zabývá velkými soustavami od molekul až po celý vesmír. Jak se v takovém světě mohou uplatnit podivuhodné kvantové jevy, jako tunelování, provázání nebo superpozice, v souvislosti s tepelnými stroji, které kdysi nastartovaly průmyslovou revoluci?

Tuomas Uusnäkki. Kredit: Aalto University.

Nedávné pokroky v porozumění tomu, jak se principy termodynamiky uplatňují v kvantovém světě, by mohly významně urychlit rozvoj kvantových technologií. Inspirace by ale mohla působit i v opačném směru. Hlubší pochopení kvantové termodynamiky by mohlo přinést nový pohled na klasickou termodynamiku. Pracují na tom badatelé z finské Aalto University, kteří představili první cyklický kvantový tepelný stroj zabudovaný do supravodivého obvodu.

Tepelné stroje, jako třeba slavný parní stroj Jamese Watta, fungují tak, že přeměňují teplo na energii čili mechanickou práci. Pohánějí automobily, lodě i letadla a většina elektráren s jejich pomocí vyrábí elektřinu.

Logo. Kredit: Aalto University.

Vůbec první supravodivý kvantový tepelný stroj na světě je miniaturní zařízení složené z transmonového qubitu, rezonátoru a kvantové chladničky.

Připojením transmonového qubitu ke kvantové obvodové chladničce mohli vědci, které vedl Tuomas Uusnäkki, řídit tok tepla na kvantové úrovni a ukázat, že jej lze přeměnit na měřitelnou mechanickou práci. Na rozdíl od běžných tepelných strojů, které využívají oddělený ohřívač a chladič, tento kvantový tepelný stroj spoléhá na jedinou kvantovou chladničku, která podle potřeby zajišťuje jak ohřev, tak chlazení.

Supravodivý tepelný stroj dokázal využít nepatrné množství tepla přítomného v ultrachladném kvantovém prostředí a v opakujících se cyklech z něj těžit mechanickou práci. Právě toho se kvantoví inženýři snažili dosáhnout řadu let. Zařízení tak představuje přesvědčivý důkaz, že supravodivé tepelné stroje mohou fungovat a v budoucnu přispět k vývoji výkonnějších kvantových počítačů.

Video: Quantum Engines: What Are They and How Do They Work?

Literatura

Aalto University 13. 7. 2026.

Nature Communications 17: 6054.