全球首台超导量子热机有望助力大规模量子计算机

芬兰阿尔托大学的研究人员成功制造并运行了一台极微小的超导量子热机，在接近绝对零度的条件下将量子尺度的热能转化为有用的功。这是科学家首次在超导电路中实现循环式量子热机的实验演示。该成果已于2026年8月14日发表在《自然·通讯》上，研究团队由芬兰科学院教授米科·莫托宁领导，第一作者为图奥马斯·乌斯奈基。

热机的基本原理是将热能转化为机械能或其他形式的功，瓦特蒸汽机、现代汽车发动机和发电厂都应用这一概念。量子热机则试图在量子效应（如隧穿、纠缠和叠加）起作用的尺度下实现类似过程。此次实验中，研究团队将transmon量子比特、谐振器与量子制冷机集成在同一个超导电路里，并置于低温恒温器中，使其在接近绝对零度的极低温度下运行。

为了驱动这台量子热机，研究者在一个超导电路内复现了奥托循环——一种也用于汽油机和许多传统机械的热力学循环。与依靠独立高温和低温环境工作的传统热机不同，该装置用一个可调谐的量子电路制冷机同时扮演热源和冷源。团队通过精确设计的控制脉冲，让制冷机按需加热或冷却量子比特，并以奥托循环方式驱动引擎运行，同时持续监测量子比特状态。测量结果显示，循环过程中流过量子比特的热量确实产生了正功。第一作者乌斯奈基表示，这是超导电路中循环式量子热机的首次实验演示。

这项研究不只是基础物理的突破，还可能为未来量子计算硬件带来实际用途。随着量子计算机规模扩大，目前将微波脉冲从毫开尔文温度传输至室温需要大量微波电缆。芬兰量子技术战略提出在2035年前实现含1000个逻辑量子比特的量子计算机，这意味着可能需要数十万个物理量子比特。以现有技术构建这样的机器需要数百万根微波电缆，每根成本约一千欧元，而且这些电缆会向系统引入噪声。研究人员设想，如果能让自主热机直接集成在超导电路中，用来读取量子比特等任务，就可能免除绝大多数电缆，同时降低成本和噪声。

莫托宁教授指出，使用自主器件替代微波连接可以同时应对两大挑战：大规模量子计算机的巨大硬件需求和电缆引入的噪声。研究团队下一步计划改进设计，最终开发出完全自主运行的量子热机。该实验使用了芬兰国家纳米、微米和量子技术研究基础设施OtaNano，并获得了芬兰研究理事会和芬兰文化基金会的资助。