Un moteur thermique quantique supraconducteur récemment développé fait progresser notre compréhension de la thermodynamique et permet les technologies nécessaires aux ordinateurs quantiques à haut nombre de qubits.
Les récentes avancées dans notre compréhension de la manière dont les principes de la thermodynamique s’appliquent au domaine quantique pourraient donner un coup de pouce aux technologies quantiques, et une image plus claire de la thermodynamique quantique pourrait en retour améliorer notre compréhension de la thermodynamique classique. Des chercheurs de l’Université Aalto ont désormais démontré le premier moteur thermique quantique cyclique au sein d’un circuit supraconducteur.
Les physiciens sont de plus en plus fascinés par l’idée que la thermodynamique classique pourrait être combinée à la mécanique quantique. La mécanique quantique capture le comportement des particules à des échelles minuscules — plus petites que les atomes — tandis que la thermodynamique traite de grands systèmes, des molécules à l’univers entier. Comment d’étranges phénomènes quantiques comme l’effet tunnel, l’intrication et la superposition se mêlent-ils à la familiarité stable des moteurs thermiques qui ont déclenché la révolution industrielle ?
Les moteurs thermiques, comme la célèbre machine à vapeur de James Watt, convertissent la chaleur en énergie utile, en travail. Ils propulsent nos voitures, nos navires et nos avions, et les moteurs thermiques sont le moyen par lequel la plupart des centrales électriques produisent de l’électricité. Désormais, le tout premier moteur thermique quantique supraconducteur a été construit : un minuscule dispositif composé d’un qubit transmon, d’un résonateur et d’un réfrigérateur quantique.
Le moteur supraconducteur a exploité la quantité infime de chaleur présente dans des conditions quantiques ultracold pour produire cycliquement un travail positif, un objectif longtemps recherché par les ingénieurs quantiques. Le dispositif constitue une preuve de concept solide pour les moteurs thermiques supraconducteurs, qui pourraient être utilisés pour développer une technologie améliorée pour les ordinateurs quantiques.
L’étude, dirigée par le professeur Mikko Möttönen de l’Académie, a été publiée dans Nature Commuincations le 13 juillet 2026.
Un cycle soigneusement conçu
L’équipe a créé un cycle d’Otto — le processus thermodynamique qui alimente les moteurs de voiture, entre autres — à l’intérieur d’un circuit supraconducteur.
« Dans notre expérience, nous avons construit un moteur thermique nanofabriqué à l’aide de circuits supraconducteurs et nous l’avons fait fonctionner dans un cryostat proche du zéro absolu. En son cœur se trouve un qubit transmon, l’un des blocs de base des technologies quantiques modernes », explique Tuomas Uusnäkki, premier auteur de l’étude.
En connectant le qubit transmon à un réfrigérateur à circuit quantique, l’équipe a pu contrôler le flux de chaleur à l’échelle quantique et montrer qu’il peut être converti en un travail mesurable. Contrairement à un moteur thermique typique, qui utilise des sources chaude et froide séparées, le moteur thermique quantique s’appuie sur un réfrigérateur quantique pour fournir à la fois la chaleur et le froid.
« Notre réfrigérateur à circuit quantique peut être réglé pour chauffer et refroidir le qubit à la demande. En utilisant des impulsions de contrôle soigneusement synchronisées, nous avons fait fonctionner le moteur selon un cycle d’Otto et surveillé l’état du qubit pendant son fonctionnement », explique Uusnäkki.
Les chercheurs ont constaté que la chaleur circulant à travers le qubit dans le cycle générait un travail positif.
« Il s’agit de la première démonstration expérimentale d’un moteur thermique quantique cyclique dans des circuits supraconducteurs. L’utilisation d’un seul réfrigérateur quantique contrôlable comme environnement chaud et froid du moteur le rend plus simple et plus polyvalent », déclare Uusnäkki.
Moteurs thermiques autonomes pour les futurs ordinateurs quantiques
L’équipe travaille à améliorer sa conception, visant à créer un moteur thermique entièrement autonome qui pourrait effectuer des tâches comme la lecture des qubits sans avoir besoin d’amener l’impulsion micro-onde de la température millikelvin à la température ambiante. Un moteur autonome sur un circuit supraconducteur pourrait réduire le coût et la complexité des ordinateurs à haut nombre de qubits à l’avenir.
« La stratégie finlandaise en matière de technologies quantiques envisage un ordinateur quantique avec mille qubits logiques d’ici 2035, ce qui signifie probablement des centaines de milliers de qubits physiques. Pour y parvenir avec la technologie actuelle, il faudrait des millions de câbles micro-ondes coûtant mille euros chacun. Les câbles introduisent également du bruit dans le système. L’utilisation de dispositifs autonomes éliminerait en grande partie le besoin de ces câbles », déclare Möttönen.
Les chercheurs ont utilisé les installations d’OtaNano, l’infrastructure nationale de recherche finlandaise pour les nanotechnologies, les microtechnologies et les technologies quantiques dans leur étude pionnière. Les travaux ont été financés par le Conseil de la recherche de Finlande et la Fondation culturelle finlandaise.
Article : World’s first superconducting quantum heat engine offers path to larger quantum computers – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : Aalto U.
