科学家发现利用噪声为量子计算机降温的新方法

量子计算机只有在极低温环境下才能正常工作。然而，现有冷却系统在降温的同时也会产生噪声，这些噪声会干扰系统本应保护的脆弱量子信息。瑞典查尔默斯理工大学的研究人员现在提出了一种新型的小型量子"冰箱"，将这一挑战转化为优势。该设备不是对抗噪声，而是部分依赖噪声来运行。这项技术实现了对热量和能量流动的高精度控制，有望推动大规模量子技术的实现。

量子技术被广泛认为将重塑社会的重要领域。潜在应用包括药物发现、人工智能、物流优化和安全通信。尽管前景广阔，但严重的技术障碍仍阻碍着量子技术的实际应用。其中最困难的挑战之一是维护和控制这些系统运行所需的精密量子态。

量子计算机为何必须接近绝对零度

采用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。在如此低温下，材料变为超导态，电子可以无阻抗地运动。只有在这些极端条件下，稳定的量子态才能在量子比特（量子信息的基本单位）内部形成。

这些量子态极其敏感。温度的微小变化、电磁干扰或背景噪声都可能迅速擦除储存的信息。这种敏感性使得量子系统难以操作，扩展则更加困难。

当研究人员试图扩大量子计算机规模以解决实际问题时，热量和噪声变得更难控制。更大更复杂的系统为不希望出现的能量传播和干扰脆弱量子态创造了更多机会。

"许多量子设备最终受到能量传输和耗散方式的限制。了解这些传输路径并能够测量它们，使我们能够设计出热流可预测、可控制甚至有用的量子设备，"查尔默斯理工大学量子技术博士生、该研究主要作者Simon Sundelin说道。

将噪声用作冷却工具

在发表于《自然通讯》杂志的研究中，查尔默斯团队描述了一种根本不同的量子冰箱。该系统不是试图消除噪声，而是将噪声用作冷却背后的驱动力。

"物理学家长期以来一直在猜测一种叫做布朗制冷的现象；即随机热涨落可以被利用来产生冷却效果。我们的工作代表了迄今为止这一概念最接近的实现，"查尔默斯副教授、该研究资深作者Simone Gasparinetti表示。

冰箱的核心是在查尔默斯纳米制造实验室中创造的超导人工分子。它的行为很像天然分子，但它不是由原子构建，而是由微小的超导电路构建。

人工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，研究人员能够以惊人的精度引导热量和能量在系统中的流动。

"两个微波通道充当冷热储存器，但关键是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。这种注入的噪声使得热量通过人工分子在储存器之间传输并驱动这一过程。我们能够测量极小的热电流，功率小到阿托瓦级别，即10^-18瓦特。如果用如此小的热流来加热一滴水，需要宇宙年龄那么长的时间才能看到温度上升一摄氏度，"Sundelin解释道。

向可扩展量子技术的新路径

通过仔细调节储存器温度和跟踪微小热流，量子冰箱能够以多种方式运行。根据条件不同，它可以作为冰箱运行、充当热机或放大热传输。

这种控制水平在较大的量子系统中尤为重要，在这些系统中，热量在量子比特操作和测量过程中在局部产生。直接在量子电路内部管理这种热量，可以以传统冷却系统无法达到的方式改善稳定性和性能。

"我们认为这是朝着直接在量子电路内部控制热量迈出的重要一步，达到了传统冷却系统无法企及的尺度。能够在如此微小的尺度上移除或重定向热量，为更可靠和稳健的量子技术开启了大门，"查尔默斯量子技术研究员、该研究共同作者Aamir Ali表示。

更多信息

研究《噪声驱动的超导电路量子制冷》发表在科学期刊《自然通讯》上。作者包括查尔默斯理工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。

量子冰箱在查尔默斯理工大学纳米制造实验室Myfab制造。

研究资金由瑞典研究委员会、通过华伦堡量子技术中心（WACQT）的Knut和Alice华伦堡基金会、欧洲研究委员会以及欧盟提供。

Q&A

Q1：量子计算机为什么必须在极低温下运行？

A：量子计算机采用超导电路构建，必须冷却到接近绝对零度（约-273°C）。在如此低温下，材料变为超导态，电子可以无阻抗运动，量子比特内部才能形成稳定的量子态。这些量子态极其敏感，温度微小变化都可能擦除储存信息。

Q2：这种新型量子冰箱如何利用噪声进行冷却？

A：查尔默斯团队开发的量子冰箱核心是超导人工分子，连接多个微波通道。通过在窄频率范围内注入精心控制的微波噪声，系统能够以高精度引导热量和能量流动。噪声不再是干扰因素，而是驱动冷却过程的动力。

Q3：这项技术对量子计算发展有什么意义？

A：这种技术实现了对热量和能量流动的高精度控制，能够在量子电路内部直接管理热量，达到传统冷却系统无法企及的微观尺度。这为构建更大规模、更稳定可靠的量子系统开辟了新路径，有望推动量子技术的实际应用。