Veijo Hänninen

Kvanttienergiaa hyötykäyttöön

Elektronisten laitteiden monipuolistamista ja miniatyrisointia tavoitellaan tiedemaailmassa jo kvanttimaailman syvyydellä. Erityisesti tässä on onnistuttu materiaalien tasolla mutta nyt myös kvanttienergia on otettu tutkimustyön kohteeksi.

Demoni, jota James Clerk Maxwell ehdotti jo vuonna 1867, on hypoteettinen olento, joka voi saada enemmän hyödyllistä energiaa termodynaamisesta järjestelmästä kuin yhden fysiikan perustavanlaatuisimmista laeista – termodynamiikan toisesta pääsäännön mukaan – ei pitäisi olla mahdollista.

Maxwell oletti, että kahdessa vierekkäisessä laatikossa olevia kaasuhiukkasia ja pientä ovea käyttävä "demoni" salli vain nopeiden energiahiukkasten kulkea yhteen suuntaan ja matalaenergiahiukkasten päinvastaiseen suuntaan.

Joten vaikka kaasu oli alun perin tasapainossa, demoni voi luoda epätasapainotilanteen ja kerätä energiaa termodynamiikan toisen lain vastaisesti.

Kuitenkin jo 1980-luvulla havaittiin, että informaatio hiukkasten ominaisuuksista säilyy demonin muistissa. Tämä informaatio johtaa energiakustannuksiin, joka sitten nollaa demonin energiahyödyn ja samalla ratkaisee tämän Maxwellin demonin paradoksin.

Fyysikot lukevat Maxwellin demonin ajatuksia

Joten vuonna 2017 kansainvälinen tutkimusryhmä, mukaan lukien tohtori Janet Anders Exeterin yliopistosta, käytti suprajohtavia piirejä herättääkseen "Maxwellin demonin" henkiin. Ratkaisevaa oli, että tutkijatiimi ei vain suoraan havainnut saatua energiaa ensimmäistä kertaa, vaan se myös seurasi kuinka informaatio tallentui demonin muistiin.

Kyseisessä tutkimuksessa ryhmä loi kvanttisen Maxwell-demonin, joka ilmeni mikroaalto-ontelona, joka ammentaa energiaa suprajohtavasta kubitista. Ryhmä pystyi kartoittamaan täysin demonin muistin kun se oli tehnyt oviluukutuksensa ja paljasti siten tallennetun informaation kubitin tilasta.

Tohtori Anders lisää: "Se, että järjestelmä käyttäytyy kvanttimekaanisesti, tarkoittaa, että hiukkasella voi olla korkea ja matala energia samanaikaisesti, ei vain jompikumpi näistä vaihtoehdoista, kuten Maxwell päätteli."

Tämä uraauurtava koe antaa kiehtovan kurkistuksen kvantti-informaation ja termodynamiikan vuorovaikutukseen ja on tärkeä askel nanomittakaavan termodynaamisten prosessien teorian nykyisessä kehityksessä.

Työn merkitys oli, että tutkijat pystyivät täysin karakterisoimaan demonin muistin sen tekemän luukun avaamisen jälkeen ja osoittamaan, että se (muisti) osallistuu täysimääräisesti termodynaamiseen prosessiin.

Kvanttimoottori saa voimansa mittauksista

Samoihin aikoihin (2017) Alexia Auffèvesin tiimi CNRS:stä ja Université Grenoble Alpesista julkaisi artikkelin toisenlaisesta Maxwellin demoniin liittyvästä työstä.

Sekä klassisten että kvanttimoottorien ydin on hyödyllisen energian (työn) talteenotto stokastisista energialähteistä, esimerkiksi lämpökylvyistä.

Maxwellin demonimoottoreissa työn uuttamista avustaa demonin suorittamiin mittauksiin perustuva takaisinkytkentäohjaus, jolla muisti tyhjennetään nollasta poikkeavalla energiakustannuksilla.

Täten he ehdottivat uudentyyppistä kvanttimaista Maxwellin demonimoottoria, jossa työ saadaan suoraan mittauskanavasta, joten lämpöhaudetta ei tarvita.

Löytö tarjoaa uuden paradigman analysoida kvanttilämpömoottoreita ja työn eli energian uuttamista kvanttimaailmassa.

He tavallaan käänsivät pelin päinvastaiseksi ja käyttivät tätä vaikutusta kvanttitehtävien energiakustannusten arvioimiseen, jos ne suoritetaan jonkin mittausyksikön läsnä ollessa.

Näin on esimerkiksi kvanttitietokoneessa, jota sen ympäristö "mittaa" jatkuvasti. Tätä vaikutusta kutsutaan dekoherenssiksi ja se on kvanttilaskennan suurin vihollinen. Siten työ tarjoaa työkaluja sen torjumiseen tarvittavan energian arvioimiseen visioivat tutkijat julkaisussaan.

Mittauslaite toimittaa polttoaineen

Sitten vuoden 2021 tutkimuksessa Institut Néel-CNRS:n, Saint Louisin ja Rochesterin yliopiston tutkijat realisoivat kahden kubitin moottorin, jonka polttoaineena ovat lomittuminen ja paikalliset mittaukset.

"Tutkimuksemme perustuu kvanttimekaniikan hyvin yksinkertaiseen ja syvään vaikutukseen: kvanttimekaniikan mittaaminen häiritsee järjestelmää, eli muuttaa sen tilaa satunnaisella tavalla", Alexia Auffèves, yksi tutkimuksen suorittaneista tutkijoista, kertoi tällöin Phys.org – julkaisulle.

"Välittömänä seurauksena mittauslaite antaa sekä energiaa että entropiaa kvanttijärjestelmään, ja sillä on samanlainen rooli kuin kuumalla lähteellä, joka ruokkii lämpömoottoria. Huomattava ero on, että tässä polttoaine ei ole lämpöä, vaan kvanttia."

Tässä vuoden 2021 tutkimuksessaan Auffeves ja hänen kollegansa keskittyivät niin sanottuihin "komposiittijärjestelmiin". Heidän analyysinsa johti lopulta mittauskäyttöisen moottorin suunnitteluun, joka perustuu lomittuneisiin kubitteihin.

Paikallisten mittausten lisäksi tätä moottoria käyttää fyysinen ilmiö nimeltään kvanttilomittuminen. Se tapahtuu, kun joukko hiukkasia on vuorovaikutuksessa tai pysyy yhteydessä toisiinsa siten, että yhden suorittamat toimet vaikuttavat toiseen, vaikka niiden välillä olisi huomattava etäisyys.

Työssään tutkijat osoittivat, että kubittijonon ensimmäisen kubitin alhainen energia voidaan muuntaa varsin korkeaksi energiaksi viimeisellä kubitilla kun tehdään peräkkäisiä naapurien välisiä vaihto-operaatioita ja paikallisia mittauksia.

Huikeiden näkymien akut

Kvanttienergian hyödyntämisen tutkimus ulottuu nyt sitten myös kvanttiakkuihin. On osoitettu, että energiaa on mahdollista varastoida atomien ja molekyylien kvanttitiloihin.

Yksi kvanttiakkujen keskeisistä käsitteistä on energiatilojen kvanttisuperpositioiden käyttö. Klassisessa akussa energia varastoidaan erillisiin tiloihin, mutta kvanttikakussa energiaa voitaisiin varastoida useiden tilojen superpositioon samanaikaisesti. Tämä voisi mahdollistaa suuremman energiatiheyden ja mahdollisesti lisätä varastoitavan energian määrää.

Toinen käsite on kvanttilomittumisen käyttö, tilanne jossa hiukkaset korreloituvat siten, että niiden ominaisuudet liittyvät toisiinsa. Tämä voisi mahdollistaa energian siirron kvanttiakkujen välillä ilman suoraa fyysistä kosketusta, mikä mahdollisesti johtaa tehokkaampaan energiansiirtoon ja energiahäviöiden vähenemiseen.

Tavoitteena prototyyppi

Kvanttiteknologioiden nopean kehityksen joukossa kvanttitermodynamiikka on noussut alaksi, joka pyrkii rekonstruoimaan termodynamiikkaa kvanttimekaniikan peruslakien kautta ja murtamaan klassisen fysiikan rajoitteen laitteen suorituskykyyn kvanttiefektien avulla.

Energiaa varastoivana ja muuntavana laitteena atomien koossa, kvanttiakku edistää kvanttiefektien soveltamista termodynamiikassa.

Vuonna 2018 Marco Polini ja kollegat Italian teknologiainstituutista (IIT) Genovasta osoittivat, että kvanttiakkuun liittyvät teoreettiset ideat voidaan itse asiassa toteuttaa käytännössä.

He raportoivat suunnitelleensa "kvanttiakun", joka heidän mukaansa voitaisiin rakentaa nykypäivän teknologialla. He esittivät, että laite, joka varastoisi energiaa kubittien virittyneisiin tiloihin, voisi latautua hyvin nopeasti lomittumisen ansiosta ja että se voisi tarjota tehoa tulevaisuuden kvanttitietokoneille.

Polinin mukaan ehdotetut kvanttiakut voisivat käyttää joko suprajohteista tai puolijohtavista kvanttipisteistä rakennettuja kubitteja. Hän kertoi tuolloin, että aikovat rakentaa periaatekvanttiakun yhdessä IIT:n ja kolmen muun eurooppalaisen instituution kanssa – ja ovat jättäneet apurahahakemuksen Euroopan unionin kvanttiteknologian lippulaivaohjelmaan. Hän arvioi, että yhteistyö voisi mahdollisesti rakentaa jopa viiden kubitin akun seuraavan kolmen vuoden aikana.

Polini haluaa kuitenkin korostaa, että tekniikkaa ei ole suunniteltu kannettavien tietokoneiden tai muiden tuttujen elektronisten laitteiden virtalähteeksi. Kuten hän huomauttaa, kvanttiakut (itse)purkautuisivat erittäin nopeasti – nanosekuntien luokkaa – ja ne myös varastoisivat poikkeuksellisen pieniä määriä energiaa. Kvanttiakkuun varastoitunut energia liittyy kubitin energiatasojen eroon, joka on noin 0,001 eV.

Siten Polini näki akkujen tulevaisuuden liittyvän puhtaasti kvanttimekaanisiin laitteisiin, kuten kvanttitietokoneisiin. On arvioitu, että kvanttitietokoneen loogisen kubitin toteuttaminen suorastaan vaatisi kvanttiakkua.

Entä lataus ja itsepurkautuminen?

Kun kvanttiakku hyödyntää kvanttiefektejä energian varastoimiseen ja toimittamiseen se voi olla jopa parempi kuin klassinen vastineensa. Periaatteessa kvanttiakun voisi suunnitella myös tavanomaisille laitteille energiaa tuottaviksi ratkaisuiksi.

Kuitenkin vielä jopa perustasolla toimivan ratkaisun tavoittelussa on pari haastetta.

Yksi on, että ympäristön aiheuttama dekoherenssi tuottaa, ihan niin kuin kubitissakin energiahäviötä ja tavoitellun tilan heikkenemistä. Toinen haaste on, että laturin ja kvanttiakun kytkentävoiman heikkeneminen niiden etäisyyden kasvaessa tekee kvanttiakun latauksesta tehottoman.

Lanzhoun ja Hubein yliopistojen uusi tutkimus (2024) esittävät kvanttiakun mallia, jossa etälataus toteutetaan kytkemällä kvanttiakku ja laturi suorakaiteen muotoiseen onttoon metalliseen aaltoputkeen.

Tutkijoiden malli perustuu sähkömagneettisen kentän ja aineen väliseen kvantisoituun vuorovaikutukseen aaltoputken sisällä.

Tutkimustyössä havaittiin, että ihanteellinen varaus toteutuu niin kauan, kun koko järjestelmän energiaspektrissä muodostuu kaksi sidottua tilaa, jotka koostuvat kvanttiakusta, laturista ja aaltoputken sisäisen sähkömagneettisesta kentän kokonaisuudesta.

Hyödyntämällä menettelyyn liittyvää dekoherenssin rakentavaa roolia visioitu kvanttiakku on immuuni ikääntymiselle eli itsepurkautumiselle. Lisäksi, turvautumatta suoraan laturin ja kvanttiakun vuorovaikutukseen, järjestelmä toimii pitkän kantaman ja langattoman latauksen tapaan.

Huhtikuu 2024