芬兰阿尔托大学的科学家们建造了世界上第一台循环热机，它在超导电路内运行，利用量子制冷机产生的极小热量来做有用功。未来几年，当拥有数千个量子比特的量子计算机建成时，这项研究可能有助于节省数千欧元。
芬兰的量子技术战略目标是到2035年建成一台拥有1000个逻辑量子比特的量子计算机。这种规模的量子计算机将需要数十万个物理量子比特，通过数百万条微波电缆彼此连接。按目前的价格算，每条电缆要一千欧元，这就大大推高了这类量子计算机的成本。
阿尔托大学的科学家们还担心这种基础设施会给量子系统装置带来噪声，并思考是否可以采用其他替代方案。
解决这个问题的办法，就是在量子尺度上造出自主设备，这样就能彻底摆脱那些线缆。然而，要在这个尺度上造出自主设备，科学家们得先造出一台量子热机。
热机对工业革命的到来起到了关键作用。从汽车到飞机，从船舶到发电厂，热机无处不在。它们把热量转化成能用来做功的能量。
尽管过去我们建造了越来越大的引擎，但物理学家如今对经典热力学过程也能在量子尺度上运行这一想法很感兴趣。由芬兰阿尔托大学的量子技术教授米科·莫特宁领导的一个团队，现已利用 transmon 量子比特（一种超导量子比特）、谐振器和量子制冷机实现了这一目标。
“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恒温器中运行它，”参与构建该设备的图奥马斯·乌斯奈基解释说。该团队在超导电路内实现了奥托循环——这与驱动汽车发动机的热力学过程相同。
迈向自主设备
为了验证热机能否做出可测量的功，研究团队将量子比特置于量子电路冰箱中，并在量子层面上控制热流。与其他热机不同，量子热机利用量子冰箱既供热又供冷。这使得该系统既简单又灵活多用。
“我们的量子电路冰箱可以按需调谐，既能加热也能冷却量子比特。通过精确控制脉冲时序，我们让热机按奥托循环运行，并在热机运行时监测量子比特的状态，”乌斯奈基补充道。
量子热机的成功构建，为打造一套完整的自主热机铺平了道路，这种热机无需使用微波脉冲，就能在从接近绝对零度到室温的温度范围内执行诸如读取量子比特等工作。
在省下数千欧元微波电缆费用的同时，自主热机还能帮助降低未来建造量子计算机的难度。
这项研究结果发表在《自然》杂志上。
热门跟贴