車のエンジンと同じ仕組みを、絶対零度近くの量子の回路で回した

編集・パクト

熱の流れから仕事を取り出す装置を『熱機関』という。ジェームズ・ワットの蒸気機関が有名で、同じ基本の考え方が、いまも自動車、船、飛行機、多くの発電所を動かしている。

この考え方を量子の世界に持ち込んだのが量子熱機関で、単一イオン、核スピン、ダイヤモンド中の窒素空孔中心、冷たいルビジウム原子など、別の物理系ではすでに実現されている。

一方、量子コンピュータにも使われる超伝導回路では、周期的に回るサイクル型のものはまだ実現されていなかった。

アールト大学のミッコ・メットネン教授(Academy Professor)らのチームは、絶対零度(-273.15℃)近くの極低温で、車のエンジンと同じオットーサイクルを回す『量子熱エンジン』を、超伝導回路の中に組み上げて動かすことに成功した。

成果は2026年5月5日付で学術誌Nature Communicationsにオンライン公開されている。

超伝導回路で初めて、サイクル型の量子熱エンジンが動いた

研究の核となるのは、Nature Communications第17巻第1号で報告された『Initial demonstration of a quantum heat engine based on dissipation-engineered superconducting circuits(散逸制御した超伝導回路による量子熱エンジンの実証)』という論文だ。

第一著者はトゥオマス・ウースネッキ氏。素子はナノ加工でつくり、希釈冷凍機で約40mK(0.04K)まで冷やして実験した。

実験にはフィンランドの国立研究基盤OtaNanoが使われた。

ウースネッキ氏は「超伝導回路におけるサイクル型の量子熱エンジンの、初めての実験的な実証だ。1台の制御可能な量子冷凍機を、エンジンの高温側と低温側の両方の環境として使うことで、より単純で、より用途が広いものになる」と話す。

『世界初』が指す範囲は限られている。超伝導回路のなかで、周期的に動くサイクル型(cyclic)の量子熱エンジンを実証したのは今回が初めて。

論文は、超伝導回路での実験はこれまで非サイクル型の熱機関についての報告が1件あっただけで、サイクル型は未実現だったと述べている。

量子熱エンジンそのものは、単一イオンの運動に結合したスピン、核磁気共鳴を使った核スピン、ダイヤモンド中の窒素空孔中心、冷たいルビジウム原子など、別の物理系ではすでに実現されている。

超伝導回路では理論提案が続いていた段階だった。

研究チームはさらに、量子ビットの状態を1回の測定で確定させる単一ショット読み出しで、サイクルのあいだ量子ビットがどう変化したかを追い、正の出力パワーと正の効率を測定したと報告している。

測定した量子ビットの状態は、シミュレーションとよく一致した。ただし論文は、サイクルの始まりと終わりで平均エネルギーが完全には一致せず、完全なサイクルではないと認めている。

詳しく追ったのは3サイクルまでだった。

量子ビットと量子回路冷凍機でできたエンジン

装置は、トランズモン量子ビット、共振器、量子回路冷凍機(QCR)の3つを組み合わせたものだ。中心のフラックス可変トランズモン量子ビットが、エンジンの作業媒体になる。

トランズモンは超伝導のジョセフソン接合を核にした量子ビットで、今回の量子ビットの最低遷移周波数は4.047GHzだった。

フラックスとは外から磁場をかけることで、量子ビットの共鳴周波数(=エネルギーの階段の幅)を自在に上下させる制御手段を指す。

量子ビットには、QCRと、量子ビットの状態を読み出すための共振器がつながっている。

QCRは、バイアス電圧によって、つながった回路にとっての熱浴(熱の出入りの相手)の温度と結合の強さを変えられる素子だ。

電圧の範囲によって、量子ビットを冷やす側にも温める側にも働く。

普通のエンジンなら、高温側と低温側に別々の熱源を用意するところを、この実験では1台のQCRが加熱役と冷却役の両方を演じる。

電圧パルスの大きさを変えるだけで、同じ素子が加熱にも冷却にも働く。高温源と低温源を別々に用意する必要がない。

ウースネッキ氏は「私たちの量子回路冷凍機は、量子ビットを必要に応じて、加熱にも冷却にも調整できる。慎重にタイミングを合わせた制御パルスで、エンジンをオットーサイクルで動かし、エンジンが動いているあいだの量子ビットの状態を観測した」と説明する。

量子オットーサイクルの動かし方と測定結果

試料は希釈冷凍機で約40mKまで冷やされた。量子ビットの有効温度は、出発点で160mK、3サイクルのあいだに約200mKから600mKへ上がった。

研究チームは、熱状態から出発して、QCRへの電圧パルスで冷却と加熱を順に行い、そのあいだに磁束(フラックス)パルスで量子ビットの周波数を上下させた。

周波数を下げる膨張の段階で、量子ビットは外へ仕事をする。上げる圧縮の段階では仕事をされるが、そのとき量子ビットの励起は減っているので、される仕事は膨張で外へした仕事より小さい。

周波数を上げると量子ビットの『階段の段差』が広がり、下げると狭まる。

段差が広い間に熱を吸わせ、狭くしてから熱を吐かせれば、その差分が仕事として外に取り出せる、というのが基本原理だ。

測定の結果、繰り返したサイクルの平均出力は0.039eV/s、平均効率は0.0055で、仕事は外へ取り出せていた。

この効率は、この装置の周波数の変化幅から決まる理論上のオットー効率(約0.02)の約27%だ。

論文は、得られた効率と出力は低く、現時点では実用的な応用はないと認めたうえで、量子熱機関の熱力学モデルを裏づける結果だとしている。

効率もシミュレーション(出力0.031eV/s、効率0.0045)と近い値だった。

最初のサイクルはまだ定常状態から遠く効率が低いが、シミュレーションでは数サイクルで理想のオットー効率に近づくと予測されている。

超伝導以外の量子熱機関では効率0.42〜0.48の報告もあるが、これらは圧縮比が大きい設定による値だと論文は書いている。

量子コンピュータのケーブル問題と、これから

メットネン氏によると、フィンランドの量子技術戦略は2035年までに論理量子ビット1,000個の量子コンピュータを描いており、それはおそらく数十万個の物理量子ビットを意味するという。

メットネン氏は「現在の技術でそれをやろうとすると、1本1,000ユーロのマイクロ波ケーブルが数百万本必要になる。ケーブルはシステムにノイズも持ち込む。代わりに自律的な装置を使えば、そのケーブルはほとんど要らなくなる」と述べている。

ただし、今回の実験の素子自体は、室温のマイクロ波機器と同軸ケーブルでつながれている(論文の配線図)。ケーブルを減らせる自律型は、これから目指す段階だ。

研究チームは設計を改良し、最終的には完全に自律して動く熱エンジンの開発を目指している。使い道の一つとして、室温までマイクロ波パルスを往復させずに量子ビットを読み出すことが挙げられている。

実用化までに残る壁

もっとも、この量子熱エンジンがすぐ量子コンピュータのチップに載るかというと、そこまでの距離はまだある。

今回の素子は量子ビット1個を作業媒体とする小さな装置で、制御パルスも室温の機器から細かく送り込んで動かしている。

研究資金はフィンランド研究評議会とフィンランド文化財団から出ている。

まだ基礎段階の成果

ここで一つ気をつけたいのは、超伝導回路で量子熱エンジンが初めて動いたからといって、明日から量子コンピュータが安く小さくなるわけではないという点だ。

論文はこの成果を、超伝導量子ビットの熱環境と磁束を制御する初期の概念実証(proof of concept)と位置づけている。

量子ビット1個で、詳しく追ったのは3サイクルまでだ。