ºÚÁÏÍø

Väitöskirjan nimi: Quantum Heat Engines in Superconducting Circuits

³Õä¾±³Ù³Ù±ð±ô¾±Âáä: Miika Rasola
³Õ²¹²õ³Ù²¹±¹Ã¤¾±³Ù³ÙäÂáä: professori John Goold, Trinity College Dublin, Ireland
Kustos: professori Mikko Möttönen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Suprajohtavat kvantitetut sähköpiirit tarjoavat monipuolisen ja tehokkaan alustan
kvanttilaskennan sovelluksille sekä muille kvanttiteknologioille. Lisäksi ne luovat
ennennäkemättömiä mahdollisuuksia kvanttitermodynamiikan tutkimukselle.
Lämpökohinan ja lämmönsiirtomekanismien tutkiminen tällaisissa piireissä on
hyödyllistä, sillä kvanttiteknologioiden kehittyessä satunnaisvaihteluiden vaikutusten
ymmärtäminen nousee yhä tärkeämpään rooliin piirien toiminnan kannalta.

Vaikka lämmönsiirtoa suprajohtavissa piireissä on tutkittu laajalti jo aiemmin,
kvanttilämpövoimakoneita, jotka toimivat matalan miehitysluvun rajalla, ei ole kokeellisesti
toteutettu ennen tätä työtä. Tällaiset kokeet tarjoavat syvällistä ymmärrystä
suprajohdepiirien kvanttitermodynamiikasta mahdollistaen kvanttiteknologioiden
kehityksen. Perustutkimuksen lisäksi keskeisenä tavoitteena onkin kehittää
integroitavia kvanttilämpövoimakoneita, jotka kykenevät tuottamaan hyödyllistä
työtä yhdessä muiden kvanttiteknologioiden kanssa. Tässä mielessä erityisen
kiinnostavia ovat autonomiset kvanttilämpövoimakoneet, jotka toimivat ilman
koherenttia ulkoista ohjausta tai ajoa.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan termodynamiikkaa ja kvanttilämpökoneita, erityisesti
keskittyen kvanttilämpövoimakoneiden suunnitteluun suprajohtavissa piireissä.
Tutkimus kattaa sekä kokeellisia edistysaskelia ulkoisesti ajettujen lämpövoimakoneiden saralla että teoreettisia tuloksia autonomisiin laitteisiin liittyen.

Ensiksi näytämme, että suunnitellut säädettävät lämpöympäristöt voivat toimia tehokkaina lämpökylpyinä ulkoisesti ajetuille kvanttilämpövoimakoneille suprajohtavissa piireissä. Osoitamme kokeellisesti, että kvanttipiirijäähdytin soveltuu paitsi kytketyn suprajohdepiirin jäähdyttämiseen, myös sen lämmittämiseen. Tämä havainto mahdollistaa kvanttilämpövoimakoneen kokeellisen toteutuksen, jossa
koherenttia kvantti-Otto-työkiertoa ajetaan kvanttipiirijäähdyttimeen kytketyssä
transmon-kubitissa.

Tämän jälkeen tutkimme autonomisia kvanttilämpövoimakoneita ja osoitamme
teoreettisesti, että epälineaarinen optomekaaninen kytkentä mahdollistaa ulkoisen
ajon poistamisen, sekä tarjoaa keinon koneen lähtötehon suoraan havaitsemiseen.
Nämä lupaavat teoreettiset tulokset viittaavat siihen, että autonomisen
kvanttilämpövoimakoneen kokeellinen toteutus on viime kädessä vain huolellisen
piirisuunnittelun päässä todellisuudesta.

Avainsanat: Josephsonin liitos, Kvanttilämpövoimakone, Lämpökohina

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä):