北京
這臺自主熱機不僅能省下數千歐元的微波線纜成本，還將降低未來量子計算機構建的復雜度。
芬蘭阿爾托大學的科學家造出了世界上第一臺循環熱機，它在超導電路內運行，利用量子制冷器提供的微量熱量將其轉化為有用功。這項研究在未來建造擁有數千個量子比特的量子計算機時，有望節省數千歐元的開支。
芬蘭的量子技術戰略目標是到2035年造出一臺擁有上千個邏輯量子比特的量子計算機。如此規模的量子計算機將需要數十萬個物理量子比特，并通過數百萬根微波線纜相互連接。按照目前的價格，每根線纜的成本高達一千歐元，這會大幅推高此類量子計算機的造價。
阿爾托大學的科學家同樣關注這些基礎設施給量子系統帶來的噪聲，他們思考能否采用一種替代方案。
解決這個問題的辦法是構建量子尺度的自主設備，從而完全省去那些線纜。然而，要在這個尺度上制造自主設備，科學家們首先需要造出一臺量子熱機。
量子熱機
熱機在工業革命的到來中起到了關鍵作用。從汽車到飛機，從船舶到發電廠，熱機無處不在，它們將熱量轉化為可用于做功的有用能量。
盡管過去我們制造的熱機越來越大，但物理學家現在著迷于經典熱力學也能在量子尺度上實現的想法。芬蘭阿爾托大學量子技術教授Mikko M?tt?nen帶領的團隊，利用transmon量子比特、諧振器和一個量子制冷器實現了這一壯舉。
參與裝置搭建的Tuomas Uusn?kki解釋說：“在我們的實驗中，我們用超導電路制造了一臺納米級熱機，并讓它在接近絕對零度的低溫恒溫器中運行。”團隊在超導電路內部實現了奧托循環，這正是驅動汽車發動機的那套熱力學過程。
邁向自主設備
為了確認這臺熱機是否能做可測量的功，團隊將量子比特接入量子電路制冷器，并在量子尺度上控制熱量的流動。與其他熱機不同，這臺量子熱機利用同一個量子制冷器同時提供熱源和冷源，使系統既簡單又靈活。
Uusn?kki補充道：“我們的量子電路制冷器可以根據需要調節，既能加熱也能冷卻量子比特。通過精心定時的控制脈沖，我們讓熱機以奧托循環運行，并在運行過程中監測量子比特的狀態。”
量子熱機的成功構建為打造完整的自主熱機奠定了基礎，這類自主熱機可以在從接近絕對零度到室溫的范圍內，無需微波脈沖即可執行讀取量子比特等任務。
除了節省數千歐元的微波線纜成本，自主熱機還將幫助降低未來量子計算機的構建復雜度。
這項研究成果已發表在《自然》雜志上。
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