新开发的超导量子热机可能加深我们对热力学的理解，同时帮助推进实现具有大量量子比特的量子计算机所需的技术。科学家们正在更清晰地了解热力学在量子世界中的行为，这一进展可能有利于量子技术和我们对熟悉的热力学原理的理解。阿尔托大学的研究人员通过在超导电路内展示第一个循环量子热机，迈出了重要的一步。该实验将通常描述非常不同尺度的两个物理领域联系在一起。量子力学解释物质在极小尺度下的行为，甚至低于原子大小，而热力学描述热量和能量在更大系统中的行为，从分子集合到宇宙本身。将这两者结合起来提出了一个根本性问题：当量子效应如隧穿、纠缠和叠加进入画面时，熟悉的热力学过程会发生什么？\n量子世界中的热机\n传统热机将热量转化为有用的工作。詹姆斯·瓦特的蒸汽机就是一个著名的例子，但同样的基本概念仍是现代交通运输和电力生产的核心，为汽车、船舶、飞机和许多发电厂提供动力。研究人员现在创造了世界首个超导量子热机。这台极小的装置结合了一个跨导量子比特、一个谐振器和一个量子冰箱。在超冷量子条件下，发动机能够使用少量可用热量反复产生正功。实现这种循环操作一直是研究量子热机的研究人员的重要目标。这一结果为超导热机的概念验证提供了支持，未来可能有助于改进量子计算技术。该研究由学院教授米科·莫托宁领导，发表在《自然通讯》上。\n在绝对零度下重现奥托循环\n为了使发动机运行，研究人员在超导电路中重现了奥托循环。奥托循环是一种热力学过程，也用于汽车发动机和其他传统机器。“在我们的实验中，我们使用超导电路构建了一个纳米制造的热机，并在接近绝对零度的低温环境中操作。在其核心是一个跨导量子比特，这是现代量子技术的一种基本构件，”该研究的第一作者图马斯·乌斯纳基说。研究人员将跨导量子比特连接到量子电路冰箱，允许他们在量子尺度上控制热流，并展示这种热量可以转化为可测量的功。传统热机通常依赖于单独的热环境和冷环境。然而，在这个系统中，量子冰箱可以同时提供加热和冷却。“我们的量子电路冰箱可以根据需要同时加热和冷却量子比特。通过精确控制的脉冲，我们以奥托循环驱动发动机，并在发动机运行时监测量子比特状态，”乌斯纳基解释说。测量显示，在循环过程中，通过量子比特的热量产生了正功。“这是超导电路中循环量子热机的首次实验演示。使用一个可控的量子冰箱作为发动机的热环境和冷环境，使其更加简单和多功能，”乌斯纳基说。\n走向自主量子计算机硬件\n研究人员现在正在尝试改进设计，最终开发出完全自主的热机。一种可能的用途是读取量子比特，而无需将微波脉冲从毫开尔文温度传输到室温。随着量子计算机的发展，这种能力可能变得特别有价值。直接集成到超导电路中的自主设备可以减少具有大量量子比特的机器的成本和复杂性。莫托宁表示：“芬兰的量子技术战略设想到2035年拥有一千个逻辑量子比特的量子计算机，这可能意味着数十万个物理量子比特。用现有技术实现这一目标需要数百万根微波电缆，每根电缆的费用在几千欧元。电缆还会向系统引入噪声。因此，使用自主设备可以基本消除对这些电缆的需求。”因此，减少对这些微波连接的需求可以同时解决两个挑战：大型量子计算机的巨大硬件需求和电缆可能引入的噪声。这个开创性的实验是在芬兰的OtaNano进行的，OtaNano是芬兰国家纳米、微型和量子技术研究基础设施。资金来自芬兰研究委员会和芬兰文化基金会。