Pesquisadores da Aalto University criaram o primeiro motor térmico quântico cíclico com circuitos supercondutores, convertendo calor em trabalho próximo do zero absoluto.
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Motor térmico quântico em circuito supercondutor
O aparelho, menor que um grão de areia, usa um qubit transmon como material de trabalho, conectado a um ressonador e a um refrigerador de circuito quântico. Diferente dos motores térmicos clássicos, que dependem de reservatórios de calor separados, este motor utiliza um único refrigerador quântico capaz de aquecer e resfriar o qubit sob demanda. Isso possibilita realizar as quatro fases do ciclo Otto em escala quântica, controlando com precisão a energia do qubit.
"Construímos um motor térmico nanofabricado em circuitos supercondutores e operamos ele em um criostato próximo do zero absoluto. No centro está o qubit transmon, um dos blocos básicos das tecnologias quânticas modernas", detalha Tuomas Uusnäkki, primeiro autor do estudo publicado na Nature Communications.
Medindo calor, trabalho e eficiência no nível quântico
A equipe acompanhou o estado do qubit por meio de medições individuais, quantificando o calor absorvido, o trabalho gerado e a eficiência do motor em até três ciclos consecutivos. O motor produziu trabalho positivo, comprovando a teoria de motores térmicos quânticos em circuitos supercondutores e confirmando o modelo do ciclo Otto aplicado ao qubit.
Embora a potência e eficiência estejam baixas para uso prático — a eficiência chegou a 0,0055 e a potência média foi 0,039 eV/s — o experimento demonstra que o controle e a conversão de calor em trabalho são possíveis dentro do mesmo tipo de circuito usado em processadores quânticos.
Reduzindo a complexidade dos computadores quânticos
O avanço é crucial para a escalabilidade dos computadores quânticos supercondutores, que dependem atualmente de milhões de cabos coaxiais conectando os qubits ultrafrios a equipamentos em temperatura ambiente. Cada cabo custa cerca de mil euros e gera ruído e calor indesejados, comprometendo a estabilidade dos qubits.
O professor Mikko Möttönen, líder do estudo, afirma que o motor térmico quântico autônomo executará tarefas como leitura do estado dos qubits diretamente no circuito frio, eliminando grande parte da fiação externa. Isso reduzirá custos, ruído e complexidade estrutural, permitindo computadores com milhares de qubits lógicos e centenas de milhares de qubits físicos até 2035, segundo a estratégia finlandesa de tecnologia quântica.
"A estratégia prevê mil qubits lógicos, o que significa centenas de milhares de qubits físicos, e a infraestrutura atual não escala devido ao custo e ruído dos cabos. Dispositivos autônomos reduzirão drasticamente essa dependência", destaca Möttönen.
Próximos passos e desafios
O motor atual ainda depende de pulsos externos cronometrados e opera com baixa eficiência. A equipe desenvolve uma versão totalmente autônoma, capaz de funcionar sem controle externo e realizar leituras e controles internos no hardware quântico.
Além de aplicações práticas, o experimento amplia o entendimento da termodinâmica quântica, investigando onde as regras clássicas falham e o comportamento quântico predomina.
O próximo desafio é elevar eficiência e potência do motor, além de avaliar o impacto da coerência quântica e interferência no funcionamento do sistema.
Crédito das imagens: Heikka Valja / Aalto University.
