全球首臺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執行了一臺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迴圈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量子位元、諧振器與量子製冷機整合在同一個超導電路里，並置於低溫恆溫器中，使其在接近絕對零度的極低溫度下執行。

為了驅動這臺量子熱機，研究者在一個超導電路內復現了奧托迴圈——一種也用於汽油機和許多傳統機械的熱力學迴圈。與依靠獨立高溫和低溫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。團隊透過精確設計的控制脈衝，讓製冷機按需加熱或冷卻量子位元，並以奧托迴圈方式驅動引擎執行，同時持續監測量子位元狀態。測量結果顯示，迴圈過程中流過量子位元的熱量確實產生了正功。第一作者烏斯奈基表示，這是超導電路中迴圈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體帶來實際用途。隨著量子計算機規模擴大，目前將微波脈衝從毫開爾文溫度傳輸至室溫需要大量微波電纜。芬蘭量子技術戰略提出在2035年前實現含1000個邏輯量子位元的量子計算機，這意味著可能需要數十萬個物理量子位元。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整合在超導電路中，用來讀取量子位元等任務，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線可以同時應對兩大挑戰：大規模量子計算機的巨大硬體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執行的量子熱機。該實驗使用了芬蘭國家奈米、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。