世界初の超伝導量子熱機関――燃料もピストンもない量子エンジンが回った

量子の世界でエンジンが動き始めている

私たちの身の回りにあるエンジンがやっていることは、実はとてもシンプルです。

燃料を燃やして熱を生み、その熱の一部を「動く力」に変えている。

ただそれだけです。

蒸気機関車を走らせるのも、飛行機を飛ばすのも、発電所で電気をつくるのも、根っこの仕組みは同じ。

「熱い場所」から熱をもらい、仕事を取り出し、残りを「冷たい場所」に捨て、そしてまた「熱い場所」から熱をもらう——。

この繰り返しが、エンジンを動かし続けています。

こうした仕組みを「熱機関」と呼びます。

さて、ここで一つ問いが浮かびます。

この原理は、原子よりも小さな「量子の世界」でも通用するのでしょうか？

量子の世界は、私たちの日常とはずいぶん勝手が違います。

一つの粒子が2つの状態を同時にとったり、遠く離れた粒子どうしが不思議な形で結びついたりする。

そんな常識はずれの世界で、「熱を仕事に変える」という昔ながらの仕組みが成り立つのか、それを確かめるための研究が現在盛んに行われています。

その努力の結果、たった1個のイオンや原子を捕まえて、熱を与え、そこから仕事を取り出す——そんなごく小さな量子エンジンが、いくつかの実験で成功しました。

ただ、これらの実験は、いわば専用の実験装置の中だけで完結した孤立したエンジンでした。

量子エンジンを最も切望していた場所には、まだ手が届いていませんでした。

その場所とは、超伝導回路です。

GoogleやIBMなどが開発している量子コンピューターでは、この超伝導回路が心臓部として開発が行われています。

もし超伝導回路の上で量子エンジンを動かせたなら、話の意味合いは一気に変わります。

量子コンピュータと同じ土俵の上でエンジンが動く——ということは、将来そのエンジンをコンピュータの”内蔵パーツ”として組み込める道が開けるかもしれないからです。

同じ回路でできているからこそ、このエンジンは量子ビットのすぐ隣で、その世話係として働けると期待されています。

1個のイオンや原子を単純な量子エンジンにするのと、超伝導回路の上で動ける量子エンジンにするのとでは、その違いは、試験管の中の実験と、実際に使う機械の部品として組み込む研究くらいの開きがあります。

ところが、そう上手く話は進みませんでした。

この超伝導回路の上では、サイクルをくり返し回せる熱機関がどうしても実現できずにいたのです。

なぜでしょうか。

超伝導回路の中で働く量子の部品は、おそろしく繊細です。

ほんのわずかな熱の揺らぎや雑音が触れただけで、その状態はたちまち崩れてしまいます。

そんなまるでシャボン玉のように壊れやすい相手に、「いま温める」「いま冷やす」という熱の出し入れを、絶妙なタイミングで何度もくり返し正確に浴びせ続けなければなりません。

この精密な温度コントロールこそが、大きな壁の一つでした。

そのため、これまで超伝導回路で示せていたのは、量子ビットを冷やしたり、熱を運んだり、あるいはサイクルの形をとらない熱のやりとりまででした。

車のエンジンも一度爆発して終わりでは、車は走りません。

エンジンのようなサイクルを完成させるには「加熱➔仕事➔冷却➔加熱・・・」のサイクルを何度も繰り返し回さなければなりません。

この壁を越えたのが、フィンランド・アールト大学のチームでした。