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.
Otto-Kreisprozess mit positiver Leistung
Im Experiment nutzten Uusnäkki und sein Team wechselnde Pulse der Kühlung und Erwärmung, um ihre Quanten-Wärmekraftmaschine ans Laufen zu bringen. „Dadurch ließen wir die Wärmekraftmaschine in einem Otto-Kreisprozess arbeiten“, berichtet Uusnäkki. Die Arbeit, die dabei verrichtet wurde, lässt sich an der Schwingungsfrequenz des Transmons und an dem Magnetfeld des Systems ablesen.
„Die Pulse verändern die induktive Energie des Qubit-Schaltkreises. Dadurch verrichtet das durch diesen Energiefluss erzeugte Magnetfeld Arbeit am System, während das System seinerseits Arbeit am Magnetfeld verrichtet“, erklären die Physiker. Das Entscheidende dabei: „Die Arbeit, die in das System hineingesteckt wird, ist geringer als die vom System selbst verrichtete Arbeit – es ergibt sich eine positive Leistung“, so das Team. „Diese Leistung lag bei mehr als 25 Prozent der Otto-Effizienz.“
Hilfreich bei der Skalierung von Quantencomputern
„Damit ist dies die erste experimentelle Demonstration einer zyklischen Wärmekraftmaschine bei einem supraleitenden Quantenschaltkreis“, sagt Uusnäkki. Dies könnte neue Möglichkeiten eröffnen, Quantencomputer und andere Quantentechnologien effizienter als bisher thermisch zu kontrollieren. Wichtig wird dies vor allem dann, wenn die Qubit-Zahl der Quantencomputer weiter stark ansteigt, wie es für praktisch nutzbare Anwendungen nötig ist.
„Wenn man diese Skalierung mit der heute existierenden Technologie versucht, würde man Millionen Mikrowellenleiter benötigen, jedes davon kostet tausend Euro“, erklärt Seniorautor Mikko Möttönen von der Universität Aalto. Würde man stattdessen Quanten-Wärmekraftmaschinen auf Basis des Quantenkühlschranks zur thermischen Kontrolle der Qubits nutzen, wäre ein Großteil dieser Verkabelung überflüssig.
Quelle: Tuomas Uusnäkki (Aalto University) et al., Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-72651-x
