Квантовая технология: крошечный двигатель работает горячее, чем Солнце, чтобы исследовать границы термодинамики
Квантовая механика описывает странное поведение микроскопических частиц. Использование квантовых систем для вычислений обещает позволить исследователям решать задачи в таких областях, как химия и криптография, которые имеют так много возможных решений, что они не под силу даже самым мощным неквантовым компьютерам.
В 2025 году Нобелевская премия по физике была присуждена трём учёным за работу, демонстрирующую, что квантовые эффекты сохраняются даже в больших электрических цепях, что позволило разработать практические квантовые технологии.
Физик, изучающий сверхпроводящие цепи для квантовых вычислений и других целей, объясняет, что работа в его области основана на новаторских исследованиях, проведённых нобелевскими лауреатами. В 1984 и 1985 годах аспирант Джон Мартини, постдокторант Мишель Деворе и профессор Калифорнийского университета в Беркли Джон Кларк показали, что даже большие электрические цепи могут проявлять квантовое поведение. Они использовали схему, изготовленную из ниобия и свинца. При охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля эти металлы становятся сверхпроводниками.
Сверхпроводник — это материал, который проводит ток без выделения тепла. Лауреаты показали, что исследователи могут описать одну из таких сверхпроводящих схем как единую квантовую частицу. Это простое поведение делает сверхпроводящие схемы настолько полезными в качестве технологии.
Сегодня сверхпроводящие схемы используются для изучения фундаментальной квантовой физики, моделирования других физических систем и тестирования протоколов для сверхточного зондирования.
Новый метод исследования сворачивания белков
Учёные создали самый горячий в мире двигатель, работающий при температурах выше, чем в ядре Солнца. Команда из Королевского колледжа Лондона и их коллеги считают, что их платформа может обеспечить беспрецедентное понимание законов термодинамики в малом масштабе и стать основой для нового эффективного способа вычисления того, как сворачиваются белки — тема прошлогодней Нобелевской премии по химии.
Описанный в Physical Review Letters двигатель представляет собой очень маленькую, микроскопическую частицу, подвешенную при низком давлении с помощью электрических полей. Исследователи могут экспоненциально увеличить нагрев захваченной частицы, подавая шумное напряжение на один из электродов, удерживающих её в воздухе.
Традиционно двигатели ассоциируются с моторами, но в науке их определение гораздо проще — двигатели преобразуют одну форму энергии в механическую. Здесь это тепло в движение.
Эксперимент впервые достиг таких высоких температур в столь малом масштабе, и команда обнаружила, что их результаты часто противоречили основным законам термодинамики. Они обнаружили, что для данного запуска двигателя при воздействии более высоких температур система иногда охлаждалась, а не нагревалась, как ожидалось. Это связано с обычно незаметным случайным влиянием тепловых флуктуаций в окружающей среде, влияющих на динамику уникальным образом на микроуровне и ниже.
Молли Месседж, аспирантка физического факультета Королевского колледжа Лондона и первый автор статьи, сказала: «Двигатели и типы передачи энергии, которые происходят внутри них, являются микрокосмом более широкой Вселенной. Изучение парового двигателя привело к появлению термодинамики, которая, в свою очередь, раскрыла некоторые фундаментальные законы физики. Продолжение изучения двигателей в новых режимах открывает потенциал для расширения нашего понимания Вселенной и процессов, которые управляют её развитием».
«Овладев термодинамикой на этом неинтуитивном уровне, мы сможем в будущем проектировать более совершенные двигатели и эксперименты, которые бросают вызов нашему пониманию природы».
Команда также надеется, что платформа может быть использована в качестве аналогового компьютера для прогнозирования того, как белки сворачиваются и собираются. Аналоговые компьютеры — это прямые физические симуляции системы, которую вы пытаетесь смоделировать. Они существовали ещё у древних греков.
«Белки — это двигатели, которые приводят в действие большинство важных процессов в нашем организме, поэтому понимание их механики и того, как всё может пойти не так, является жизненно важным шагом в понимании болезней и способов их лечения», — отмечает доктор Джонатан Притчетт, научный сотрудник Королевского колледжа.
«Преимущество нашего метода перед обычными цифровыми моделями, такими как AlphaFold, заключается в простоте. Белки сворачиваются за миллисекунды, но атомы, из которых они состоят, движутся за наносекунды. Эти расходящиеся временные масштабы затрудняют моделирование их на компьютере. Просто наблюдая за движением микрочастицы и разрабатывая серию уравнений на основе этого, мы полностью избегаем этой проблемы».
Команда надеется, что этот новый метод может также использовать меньше энергии и быть более устойчивым, чем методы, основанные на цифровых компьютерах.