新開發的超導量子熱機，有助於深化我們對熱力學的理解，同時也能推動量子電腦所需的大規模量子位元技術的進展。
科學家們對熱力學在量子世界中的行為有了更清晰的認識，這項進展可能同時造福量子技術以及我們對熟悉熱力學原理的理解。芬蘭阿爾托大學的研究人員現已採取重要一步，展示了首個建置於超導電路中的循環式量子熱機。
該實驗將物理學中兩個通常描述極大不同尺度領域連結起來。量子力學解釋了物質在極小尺度下的行為，甚至小於原子大小；而熱力學則描述了熱量和能量在更大系統中的行為，從分子集合到宇宙本身。將兩者結合起來引出了一個根本問題：當隧道效應、糾纏和疊加等量子效應進入圖景時，熟悉的熱力學過程會發生什麼變化？
為量子世界打造的熱機
傳統熱機將熱量轉化為有用功。詹姆斯·瓦特的蒸汽機是一個著名的例子，但相同的基本概念仍然是現代交通和電力生產的核心，為汽車、輪船、飛機和許多發電廠提供動力。
研究人員現已創造出全球首個超導量子熱機。這個極小的裝置結合了跨微波量子位元（transmon qubit）、諧振器和量子冰箱。
在極低溫的量子條件下運行，該引擎能夠利用極少量的可用熱能重複產生正功。實現這種循環操作一直是量子熱機研究人員的重要目標。該結果為超導熱機提供了概念驗證，最終可能為改進量子計算技術做出貢獻。
該研究由學院教授 Mikko Möttönen 領導，發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。
在絕對零度附近重現奧托循環
為了讓引擎運行，研究人員在超導電路中重現了奧托循環。奧托循環是一種熱力學過程，也用於汽車引擎和其他傳統機器。
「在我們的實驗中，我們使用超導電路建造了一個奈米級的熱機，並在接近絕對零度的低溫恆溫器中運行它。其核心是一個跨微波量子位元，這是現代量子技術的基本構件之一，」該研究的第一作者 Tuomas Uusnäkki 說。
研究人員將跨微波量子位元連接到量子電路冰箱，使他們能夠在量子尺度上控制熱流，並證明這些熱量可以轉化為可測量的功。傳統熱機通常依賴獨立的熱環境和冷環境。然而，在這個系統中，同一個量子冰箱可以同時提供加熱和冷卻。
「我們的量子電路冰箱可以根據需要進行調整，以加熱或冷卻量子位元。使用精心定時的控制脈衝，我們在奧托循環中驅動引擎，並監測引擎運行時的量子位元狀態，」Uusnäkki 解釋道。
測量結果顯示，在循環過程中通過量子位元的熱量產生了正功。
「這是超導電路中循環式量子熱機的首次實驗演示。使用單一可控的量子冰箱作為引擎的熱和冷環境，使其更簡單、更通用，」Uusnäkki 說。
邁向自主量子電腦硬體
研究人員現在正試圖改進設計，並最終開發出完全自主的熱機。一種可能的用途是在無需將微波脈衝從毫開爾文溫度傳輸到室溫的情況下讀取量子位元。
隨著量子電腦的發展，這種能力將變得尤其有價值。直接整合到超導電路中的自主裝置可以降低包含大量量子位元的機器的成本和複雜性。
「芬蘭的量子技術策略設想在 2035 年之前實現擁有千個邏輯量子位元的量子電腦，這可能意味著需要數十萬個物理量子位元。以目前的技術實現這一點需要數百萬條每條價值千歐元的微波纜線。這些纜線還會引入系統雜訊。使用自主裝置則可以基本消除對這些纜線的需求，」Möttönen 說。
因此，減少對這些微波連接的需求可以同時解決兩個挑戰：大規模量子電腦巨大的硬體需求，以及纜線可能引入量子系統的非預期雜訊。
這項開創性的實驗是使用芬蘭國家奈米、微米和量子技術研究基礎設施 OtaNano 進行的。資金來自芬蘭研究委員會和芬蘭文化基金會。