一项最新研究表明，超导量子热机不仅有望深化人类对热力学的理解，还可能推动量子计算机向超大规模量子比特方向发展。
科学家正在逐步厘清热力学在量子世界中的运行规律，这一进展将同时惠及量子技术发展与经典热力学原理研究。芬兰阿尔托大学的研究人员近日完成了一项重要突破——他们成功展示了世界上首台构建于超导电路内部的循环量子热机。
这项实验将两个通常描述截然不同尺度现象的物理学领域联系在一起。量子力学解释的是原子尺度乃至更微观层面物质的行为规律，而热力学则描述从分子集合到宇宙本身等宏观系统中热量与能量的变化规律。将二者结合，引出了一个根本性问题：当量子隧穿、量子纠缠和量子叠加等效应介入时，熟悉的热力学过程会发生怎样的变化？
为量子世界打造的热机
传统热机将热量转化为有用功。詹姆斯·瓦特发明的蒸汽机是其中最广为人知的例子，而这一基本原理至今仍是现代交通与电力生产的核心，驱动着汽车、船舶、飞机及众多发电厂的运转。
研究人员现已创造出世界首台超导量子热机。这台极为微小的装置集成了一个Transmon量子比特、一个谐振腔和一个量子制冷机。
该热机在超低温量子条件下运行，能够利用极少量的可用热量持续产生正功。实现这种循环运行一直是量子热机研究领域的重要目标。这一成果为超导热机提供了概念验证，未来有望推动量子计算技术的进一步发展。
该研究由科学院教授Mikko Mottonen领导，相关论文已发表于《自然·通讯》期刊。
在绝对零度附近重现奥托循环
为使热机正常运转，研究人员在超导电路中重现了奥托循环——这是一种同样应用于汽车发动机等传统机械的热力学过程。
"在我们的实验中，我们利用超导电路制造了一台纳米级热机，并在接近绝对零度的低温恒温器中运行。其核心是一个Transmon量子比特，这是现代量子技术的基本构建单元之一。"论文第一作者Tuomas Uusnakki介绍道。
研究人员将Transmon量子比特与量子电路制冷机相连，从而实现了对量子尺度热流的精确控制，并验证了这些热量可被转化为可测量的功。传统热机通常依赖独立的高温与低温环境，而在该系统中，同一台量子制冷机即可同时提供加热与冷却功能。
"我们的量子电路制冷机可按需调节为对量子比特加热或冷却。通过精确时序的控制脉冲，我们驱动热机完成奥托循环，并在运行过程中实时监测量子比特状态。"Uusnakki解释道。
测量结果显示，在循环过程中流经量子比特的热量确实产生了正功。
"这是超导电路中循环量子热机的首次实验验证。使用单一可控量子制冷机同时充当热机的高温与低温环境，使整个系统更加简洁且具有更强的通用性。"Uusnakki表示。
迈向自主运行的量子计算机硬件
研究人员目前正致力于改进这一设计，并计划最终开发出完全自主运行的热机。其潜在用途之一，是无需将微波脉冲从毫开尔文低温环境一路传输至室温，即可完成量子比特的读取操作。
随着量子计算机规模的不断扩大，这一能力将愈发重要。直接集成于超导电路中的自主器件，有望同时降低超大规模量子比特机器的成本与复杂度。
"芬兰量子技术战略规划在2035年前实现具有一千个逻辑量子比特的量子计算机，这可能意味着需要数十万个物理量子比特。按照现有技术，这需要数百万根微波电缆，每根造价高达数千欧元，而且这些电缆还会向系统引入噪声。若改用自主器件，则基本上可以消除对这些电缆的依赖。"Mottonen指出。
减少对微波连接的需求，将同时应对两大挑战：大型量子计算机所面临的庞大硬件需求，以及电缆给量子系统带来的不必要噪声干扰。
这项开创性实验在芬兰纳米、微米与量子技术国家研究基础设施OtaNano中完成，研究经费来自芬兰研究理事会与芬兰文化基金会。
Q&A
Q1：超导量子热机的工作原理是什么？
A：超导量子热机的核心是一个Transmon量子比特，它与量子电路制冷机相连。研究人员通过精确时序的控制脉冲驱动热机完成奥托循环，并利用同一台量子制冷机按需对量子比特进行加热或冷却。测量结果表明，流经量子比特的热量在循环过程中可以转化为可测量的正功，从而实现了热能向有用功的转换。
Q2：超导量子热机对量子计算机的规模化发展有什么帮助？
A：目前大规模量子计算机需要数百万根微波电缆将信号从毫开尔文低温环境传输至室温，不仅成本极高，还会引入噪声干扰。超导量子热机未来有望实现量子比特的自主读取，无需上述电缆，从而大幅降低硬件成本与系统复杂度，为实现芬兰量子技术战略所规划的千量子比特计算机目标提供关键支撑。
Q3：这项研究发表在哪里？由谁主导？
A：这项研究由阿尔托大学科学院教授Mikko Mottonen领导，第一作者为Tuomas Uusnakki，相关论文已发表于《自然·通讯》期刊。实验在芬兰国家研究基础设施OtaNano完成，研究经费由芬兰研究理事会和芬兰文化基金会提供。
