全球首台超導量子熱機有望助力大規模量子計算機

芬蘭阿爾託大學的研究人員成功製造並運行了一台極微小的超導量子熱機，在接近絕對零度的條件下將量子尺度的熱能轉化為有用的功。這是科學家首次在超導電路中實現循環式量子熱機的實驗演示。該成果已於2026年8月14日發表在《自然·通訊》上，研究團隊由芬蘭科學院教授米科·莫託寧領導，第一作者為圖奧馬斯·烏斯奈基。

熱機的基本原理是將熱能轉化為機械能或其他形式的功，瓦特蒸汽機、現代汽車發動機和發電廠都應用這一概念。量子熱機則試圖在量子效應（如隧穿、糾纏和疊加）起作用的尺度下實現類似過程。此次實驗中，研究團隊將transmon量子比特、諧振器與量子製冷機集成在同一個超導電路里，並置於低温恆温器中，使其在接近絕對零度的極低温度下運行。

為了驅動這台量子熱機，研究者在一個超導電路內復現了奧托循環——一種也用於汽油機和許多傳統機械的熱力學循環。與依靠獨立高温和低温環境工作的傳統熱機不同，該裝置用一個可調諧的量子電路製冷機同時扮演熱源和冷源。團隊通過精確設計的控制脈衝，讓製冷機按需加熱或冷卻量子比特，並以奧托循環方式驅動引擎運行，同時持續監測量子比特狀態。測量結果顯示，循環過程中流過量子比特的熱量確實產生了正功。第一作者烏斯奈基表示，這是超導電路中循環式量子熱機的首次實驗演示。

這項研究不只是基礎物理的突破，還可能為未來量子計算硬件帶來實際用途。隨着量子計算機規模擴大，目前將微波脈衝從毫開爾文温度傳輸至室温需要大量微波電纜。芬蘭量子技術戰略提出在2035年前實現含1000個邏輯量子比特的量子計算機，這意味着可能需要數十萬個物理量子比特。以現有技術構建這樣的機器需要數百萬根微波電纜，每根成本約一千歐元，而且這些電纜會向系統引入噪聲。研究人員設想，如果能讓自主熱機直接集成在超導電路中，用來讀取量子比特等任務，就可能免除絕大多數電纜，同時降低成本和噪聲。

莫託寧教授指出，使用自主器件替代微波連接可以同時應對兩大挑戰：大規模量子計算機的巨大硬件需求和電纜引入的噪聲。研究團隊下一步計劃改進設計，最終開發出完全自主運行的量子熱機。該實驗使用了芬蘭國家納米、微米和量子技術研究基礎設施OtaNano，並獲得了芬蘭研究理事會和芬蘭文化基金會的資助。