量子計算機只有在非常寒冷的情況下才能工作。問題在於，當今的冷卻系統還會產生噪聲，這可能會干擾它們本應保護的脆弱量子信息。瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員現在推出了一種最小的量子“冰箱”，可以將這一挑戰轉化為優勢。該設備不是處理噪聲，而是部分依賴噪聲來運行。其結果是對熱量和能量流的極其精確的控制，這有助於使大規模量子技術成為可能。
量子技術有望重塑社會的主要領域。潛在的應用包括藥物發現、人工智能、物流優化和安全通信。儘管有這樣的承諾，但嚴重的技術障礙仍然阻礙著現實世界的使用。最困難的挑戰之一是維持和控制這些系統運行的微妙量子態。
為什麼量子計算機必須接近絕對零
採用超導電路構建的量子計算機必須冷卻到非常接近絕對零的溫度（大約-273°C）。在這些溫度下，材料變成超導體，電子無阻力地移動。只有在這些極端條件下，才能在量子位（量子信息的基本單位）內創建穩定的量子態。
這些量子態非常敏感。溫度、電磁干擾或背景噪音的微小變化都可以快速擦除存儲的信息。這種敏感性使得量子系統難以操作，甚至更難以部署。
隨著研究人員試圖擴大量子計算機的規模來解決實際問題，控制熱量和噪聲變得更加困難。更大、更複雜的系統為不需要的能量傳播和破壞脆弱的量子態創造了更多機會。
“許多量子設備最終都受到能量傳輸和耗散方式的限制。了解並能夠測量這些路徑使我們能夠設計出熱流可預測、可控甚至有用的量子設備，”查爾姆斯理工大學量子技術博士生、該研究的主要作者西蒙·桑德林（Simon Sundelin）說。
將其用作降噪工具
在發表於的一項研究中 自然通訊查爾默斯小組描述了一種完全不同類型的量子冰箱。該系統沒有試圖消除噪音，而是將其用作冷卻劑。
“物理學家長期以來一直推測一種稱為布朗冷卻的現象，即可以利用隨機熱波動來產生冷卻效果的想法。我們的工作代表了迄今為止這一概念的最接近實現，”查爾姆斯理工大學副教授、該研究的主要作者西蒙·加斯帕里內蒂（Simone Gasparinetti）說。
冰箱的核心是查爾默斯納米製造實驗室製造的人造超導分子。它的行為類似於天然分子，但它不是原子，而是由微小的超導電路構成。
人造分子連接到多個微波通道。通過將精心控制的頻率範圍內的隨機信號波動添加到微波噪聲中，研究人員可以以極高的精度確定熱量和能量如何在系統中移動。
Sundelin 解釋說：“這兩個微波通道充當熱庫和冷庫，但關鍵是，只有當我們通過第三個端口注入受控噪聲時，它們才能有效連接。這種注入的噪聲允許熱庫之間進行熱傳輸，並驅動它通過人造分子。我們已經能夠測量非常小的熱流，低至阿瓦-18瓦或較小的熱流功率。對於一滴水來說，宇宙的年齡會使其溫度上升一攝氏度。”
可擴展量子技術的新途徑
通過仔細調節儲層溫度並遵循小熱流，量子冰箱可以以多種方式運行。根據條件，它可以充當冷卻器、熱機或增加熱傳輸。
這種控制水平在較大的量子系統中尤其重要，因為在量子位操作和測量過程中會局部產生熱量。直接在量子電路中管理這種熱量可以提高穩定性和性能，這是傳統冷卻系統無法做到的。
查爾姆斯理工大學量子技術研究員、該研究的合著者阿米爾·阿里 (Aamir Ali) 表示：“我們認為這是直接控制量子電路內部熱量的重要一步，其規模是傳統冷卻系統無法達到的。能夠在如此小範圍內消除或重新引導熱量，為更可靠、更強大的量子技術打開了大門。”
更多信息
關於超導電路中噪聲驅動的量子冷卻的研究已發表在科學雜誌《自然通訊》上。作者是查爾姆斯理工大學微技術和納米科學系的 Simon Sundelin、Mohammed Ali Aamir、Vyom Manish Kulkarni、Claudia Castillo-Moreno 和 Simone Gasparinetti。
量子冰箱是在查爾姆斯理工大學納米製造實驗室 Myfab 製造的。
研究經費由瑞典研究委員會、克努特和愛麗絲·瓦倫堡基金會、瓦倫堡量子技術中心 (WACQT)、歐洲研究委員會和歐盟提供。
