科学家发现一种利用噪声冷却量子计算机的方法
日期: 2026年1月29日
来源: 某机构技术大学
摘要: 量子计算机需要极寒环境才能工作，但维持低温的系统本身也会产生噪声，破坏脆弱的量子信息。瑞典科学家现已扭转这一难题，构建了一个微型的量子冰箱，实际上利用噪声来驱动冷却而非对抗它。通过在难以想象的小尺度上精确引导热量，该设备可在量子电路中充当制冷机、热机或能量放大器。
完整报道
两个微波通道分别充当热库和冷库，带有微红色和微蓝色的辉光。这些热库耦合到一个由两个量子比特组成的人造分子上。受控的微波噪声（白色箭头）通过侧端口注入，以驱动和调节热传输。
图片来源：Simon Sundelin
量子计算机只有在保持极冷状态时才能工作。问题在于，当前的冷却系统也会产生噪声，干扰它们本应保护的脆弱量子信息。瑞典某机构技术大学的研究人员现已推出一种新型微型量子“冰箱”，将这一挑战转化为优势。该设备不再对抗噪声，而是部分依赖噪声来运行。其结果是能够高精度地控制热量和能量流，这可能有助于实现大规模量子技术。
量子技术被广泛预期将重塑社会的重大领域。潜在应用包括药物发现、人工智能、物流优化和安全通信。尽管前景光明，但实际应用仍面临严峻的技术障碍。最困难的挑战之一就是维持和控制使这些系统得以运行的脆弱的量子态。
为什么量子计算机必须接近绝对零度
基于超导电路构建的量子计算机必须冷却到接近绝对零度（约-273°C）的温度。在此温度下，材料变为超导态，使电子能够无阻力地移动。只有在这些极端条件下，量子比特（量子信息的基本单元）内部才能形成稳定的量子态。
这些量子态极其敏感。温度、电磁干扰或背景噪声的微小变化都可能迅速擦除已存储的信息。这种敏感性使得量子系统难以操作，更难扩展。
当研究人员试图扩大量子计算机规模以解决实际问题时，热量和噪声变得更加难以控制。更大、更复杂的系统会产生更多机会，让不需要的能量扩散并破坏脆弱的量子态。
“许多量子器件最终都受限于能量传输和耗散的方式。理解这些路径并能够测量它们，使我们能够设计出热流可预测、可控甚至有用的量子器件，”某机构技术大学量子技术博士生、该研究的主要作者Simon Sundelin表示。
利用噪声作为冷却工具
在发表于《自然·通讯》的一项研究中，该机构团队描述了一种根本不同的量子冰箱。该系统不再试图消除噪声，而是将其用作冷却的驱动力。
“物理学家长期以来一直在推测一种称为布朗制冷的现象，即利用随机热涨落产生冷却效应的想法。我们的工作是迄今为止对这一概念最接近的实现，”该机构副教授、该研究的资深作者Simone Gasparinetti说。
该冰箱的核心是一个在某机构纳米加工实验室制造的超导人造分子。它的行为很像天然分子，但并非由原子构成，而是由微小的超导电学电路构成。
该人造分子连接到多个微波通道。通过在窄频率范围内以随机信号波动的形式添加精心控制的微波噪声，研究人员能够以非凡的精度引导热量和能量如何通过系统。
“两个微波通道充当热库和冷库，但关键在于，只有当我们通过第三个端口注入受控噪声时，它们才有效连接。这种注入的噪声通过人造分子启用并驱动热库之间的热传输。我们能够测量到极小的热流，低至阿瓦（10^{-18}瓦）量级。如果用这样小的热流去加热一滴水，需要宇宙的年龄才能看到它的温度上升一摄氏度，”Sundelin解释说。
通往可扩展量子技术的新路径
通过仔细调整热库温度并追踪微小的热流，该量子冰箱可以多种方式运行。根据条件不同，它可以充当制冷机、热机，或放大热传输。
这种控制水平在较大的量子系统中尤其重要，因为在量子比特操作和测量过程中，热量会在局部产生。直接在量子电路内部管理热量，可以以传统冷却系统无法达到的方式提高稳定性和性能。
“我们认为这是朝着在传统冷却系统无法达到的尺度上，直接控制量子电路内部热量迈出的重要一步。能够在这个微小尺度上移除或重新引导热量，为更可靠、更稳健的量子技术打开了大门，”某机构技术大学量子技术研究员、该研究的合著者Aamir Ali表示。
更多信息
这项名为《超导电路中噪声驱动的量子制冷》的研究发表在科学期刊《自然·通讯》上。作者为来自某机构技术大学微技术与纳米科学系的Simon Sundelin、Mohammed Ali Aamir、Vyom Manish Kulkarni、Claudia Castillo-Moreno和Simone Gasparinetti。
该量子冰箱在某机构技术大学的纳米加工实验室（Myfab）制造。
研究资金由瑞典研究委员会、某机构基金会通过某机构量子技术中心（WACQT）、欧洲研究理事会和欧盟提供。FINISHED
