Ob Verbrennungsmotor, Dampfmaschine oder Kraftwerksturbine: Wärmekraftmaschinen wandeln einen Wärmefluss in mechanische Arbeit und nutzbare Energie um. Beim Verbrennungsmotor treibt beispielsweise die Wärmeausdehnung des verbrannten Treibstoffs die Kolben an, bei der Dampfmaschine der Wasserdampf. Beim Stirlingmotor wird ein Arbeitsgas durch die Temperaturdifferenzen eines externen Reservoirs abwechselnd ausgedehnt und kontrahiert.
Wärmekraftmaschine im Quantenmaßstab
Aber wie sieht dies im Nanomaßstab aus? Tatsächlich ist es Physikern in den letzten Jahren gelungen, Wärmekraftmaschinen auch in Quantensysteme zu integrieren – beispielsweise in Form eines atomaren Ottomotors, bei dem ultrakalte Rubidiumatome abwechselnd gekühlt und erwärmt werden und dadurch ihren Spin umklappen. Bei Atomen und Ionen haben sich solche quantenphysikalischen Otto-Kreisprozesse bereits als effizient und kontrollierbar erwiesen.
Doch ausgerechnet bei der gängigsten Form von Quantensystemen fehlte die experimentelle Umsetzung einer Wärmekraftmaschine bisher: bei den supraleitenden Quantenschaltkreisen. Sie bilden die Basis für die meisten bisher eingesetzten Quantencomputer. In diesen fungieren supraleitende Quantenbits, sogenannte Transmon-Qubits, als Recheneinheiten. Quantenrechner von Google, IBM und Microsoft beruhen auf dieser Technologie.
Quantenkühlschrank als Wärmereservoir
Jetzt ist es Physikern erstmals gelungen, eine Quanten-Wärmekraftmaschine auch in einen supraleitenden Quantenschaltkreis zu integrieren. „Herzstück unserer Quanten-Wärmekraftmaschine bildet ein Transmon-Qubit – einer der Grundbausteine der modernen Quantentechnologie“, berichtet Erstautor Tuomas Uusnäkki von der Universität Aalto in Finnland. Das supraleitende Qubit und seine Umgebung sind auf fast den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt.
Dieses Qubit wird durch den Kontakt mit einem speziellen „Quantenkühlschrank“ abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Dieser mit einem Resonator gekoppelte Supraleiter-Schaltkreis ist durch Zufuhr von elektrischem Strom regelbar: Je nach angelegter Spannung können Quasiteilchen die Schaltung durchtunneln oder nicht. „Diese beiden Regimes nutzen wir, um das Transmon in thermische Zustände höherer oder niedrigerer Temperatur zu bringen“, erklären die Physiker. Dadurch fungiert der Quantenkühlschrank als das externe Wärmereservoir der Wärmekraftmaschine.
