首个超导量子热机问世

近年来，人们对热力学原理如何适用于量子领域的理解不断提升，这项进展有望推动量子技术的发展；反过来，对量子热力学（quantum thermodynamics）更清晰的认识，也有助于深化我们对经典热力学的理解。如今，芬兰阿尔托大学（Aalto University）的研究人员已在一个超导电路（superconducting circuit）中，成功展示了全球首个循环式量子热机。

　超导量子热机的艺术想像图。（Heikka Valja／阿尔托大学）

物理学家对于将古典热力学与量子力学结合的想法愈来愈着迷。量子力学描述的是微小尺度----比原子还小----的粒子行为，而热力学则关乎大型系统，从分子到整个宇宙皆然。像穿隧效应、量子纠缠与叠加态等奇特的量子现象，要如何与那些开启工业革命的热机所展现的沉稳而熟悉的气质交织在一起呢？

热机，例如著名的詹姆斯?瓦特（James Watt）蒸汽机，能将热转换为有用的能量，也就是“功”。热机驱动着我们的汽车、船舶与飞机，而大多数发电厂也是靠热机来发电。

如今，世界上第一个超导量子热机（superconducting quantum heat engine）已经问世：这是一个由“跨模态量子比特”（transmon qubit，注：这是一种主流的超导量子比特设计，是目前IBM和谷歌等公司制造超导量子计算机时的常用基础单元）、共振器（resonator，注：用来储存和传笛挞波能量，并与量子比特耦合的元件）与量子冷冻机（作用相当于典型热机的冷、热源）组成的微型装置。

这台超导热机利用超低温量子环境中极其微量的热能，以循环方式持续输出正功（positive work）----这是量子工程师长期以来一直在追求的目标。该装置为超导热机提供了扎实的概念验证，未来可用于开发更先进的量子计算机技术。

这项研究由院士教授米科?莫托宁（Mikko M?tt?nen）主持，于2026年7月13日发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。

精心设计的循环

研究团队在超导电路中打造了一个奥托循环（Otto cycle，注：四行程汽油内燃机的基本热力学循环，包括压缩、加热、膨胀做功、排热四个主要阶段）----这是一种为汽车引擎等装置提供动力的热力学循环过程。

“在我们的实验中，我们以超导电路建造了一个奈米级的热机，并将其运作在接近绝对零度的低温恒温器中。它的核心是一个‘跨模态量子比特’，这是现代量子科技的基本构件之一。”该研究的第一作者图奥马斯?乌斯纳基（Tuomas Uusn?kki）表示。

透过将“跨模态量子比特”连接到量子电路冷冻机，团队得以在量子尺度上控制热的流动，并证明这些热可以被转换为可测量的功。与使用独立冷、热源的典型热机不同，这个量子热机仰赖一台量子冷冻机同时提供热量与冷却。

“我们的量子电路冷冻机可以依需求调节，对量子比特进行加热或冷却。透过精准计时的控制脉冲，我们驱动热机执行奥托循环，并在热机运转过程中监测量子比特的状态。”乌斯纳基解释道。

研究人员发现，在循环过程中流经量子比特的热量产生了正功。

“这是首次在超导电路中，以实验方式展示循环式量子热机。利用单一可控制的量子冷冻机，同时作为热机的热源与冷源环境，使整个系统更加简单，也更具灵活性。”乌斯纳基说。

用于未来量子计算机的自主热机

研究团队正致力于改进其设计，目标是打造完全自主运作的热机，使其能够执行量子比特读取等工作，而无须再将微波讯号从毫开尔文（milli-kelvin，千分之一开尔文）的超低温环境传送至室温设备处理----目前超导量子计算机通常需要将量子芯片在毫开尔文的超低温下产生的微波读出讯号，透过大量线缆送到室温电子设备进行放大与分析。这是目前量子计算机成本高、布线复杂的重要原因之一。

这种运行于超导电路上的自主热机，未来有望降低“高量子比特数”（high-qubit-count）量子计算机的成本与系统复杂度。

“芬兰的量子科技战略规划在2035年前实现拥有一千个逻辑量子比特的量子计算机，这可能意味着需要数十万个实体量子比特。若使用现有技术来达成此目标，需要数百万条微波缆线，每条成本高达数千欧元，而且这些缆线还会为系统引入杂讯。相对地，改用自主式装置，将可大幅消除对这些缆线的需求。”莫托宁表示。