世界首台超导量子热机研制成功，量子热力学从理论走向实验的关键一步
芬兰阿尔托大学研究团队成功研制出全球首个基于超导电路的循环量子热机。这一成果标志着量子热力学从理论走向实验的关键一步，也为未来高量子比特量子计算机的发展提供了新的技术路径。相关论文13日发表于《自然·通讯》杂志。
超导量子热机的艺术印象图。图片来源：芬兰阿尔托大学
该装置的核心是一个传输子（transmon）量子比特——现代量子计算的基础元件之一。研究人员将其连接至一个量子电路冰箱，从而在接近绝对零度的低温环境中，精确控制热量的流入与流出。通过精确定时的控制脉冲，团队驱动热机完成一个完整的奥托循环，并实时监测量子比特的状态变化。实验结果显示，在这一循环过程中，流经量子比特的热量确实转化为了正功。
与传统热机依赖两个不同温度的冷热源不同，这台量子热机借助量子冰箱同时扮演加热与制冷的角色，使整个系统更加紧凑和灵活。论文第一作者图奥马斯·乌斯纳基表示，这种设计让发动机在运行时能够随时调节对量子比特的供热或制冷，极大提升了控制的精准度。
量子热机的工作原理源于经典热力学与量子力学的交叉。经典热机如蒸汽机将热能转化为机械功，驱动了工业革命。而在量子尺度上，科学家试图利用隧穿、纠缠、叠加等奇特现象，在极小的能量尺度下实现同样的能量转换。此次实验的成功，为这一设想提供了坚实的实物证据。
研究团队表示，这项技术的长远目标之一是开发完全自主运行的量子热机，使其能够在无需将大量微波信号从极低温环境传输到室温的情况下，完成量子比特的读取等操作。这对于降低未来量子计算机的复杂度和成本至关重要。
芬兰国家量子技术战略提出，到2035年建成拥有1000个逻辑量子比特的量子计算机。据研究团队估算，这可能需要数十万个物理量子比特。若采用现有技术，需要铺设数百万根微波电缆，每根造价高达数千欧元，且电缆本身会引入噪声干扰。而自主运行的量子热机有望大幅削减这些线缆需求，从根本上简化系统架构。
【总编辑圈点】
量子热力学研究极小量子尺度下热量流动和能量转化。此次，这一领域有了重大突破，科研团队造出了全世界首台靠超导电路运转的量子热机，用量子比特搭配微型量子制冷设备，在极低温环境下完成热能转做功的完整循环。借助这一方法，科研人员有望搭建全新的量子热力学实验平台。未来，这一技术还可推动高性能量子设备走向实用化，长远来看能加速量子计算在科研产业领域的普及，为新材料研发、复杂量子运算等场景打下硬件基础。
（原标题为《量子热力学从理论走向实验的关键一步 世界首台超导量子热机研制成功》）