芬蘭阿爾托大學研究團隊成功研制出全球首個基於超導電路的循環量子熱機。這一成果標志著量子熱力學從理論走向實驗的關鍵一步，也為未來高量子比特量子計算機的發展提供了新的技術路徑。相關論文13日發表於《自然·通訊》雜志。

該裝置的核心是一個傳輸子（transmon）量子比特——現代量子計算的基礎元件之一。研究人員將其連接至一個量子電路冰箱，從而在接近絕對零度的低溫環境中，精確控制熱量的流入與流出。通過精確定時的控制脈沖，團隊驅動熱機完成一個完整的奧托循環，並實時監測量子比特的狀態變化。實驗結果顯示，在這一循環過程中，流經量子比特的熱量確實轉化為了正功。

與傳統熱機依賴兩個不同溫度的冷熱源不同，這台量子熱機借助量子冰箱同時扮演加熱與制冷的角色，使整個系統更加緊湊和靈活。論文第一作者圖奧馬斯·烏斯納基表示，這種設計讓發動機在運行時能夠隨時調節對量子比特的供熱或制冷，極大提升了控制的精准度。

量子熱機的工作原理源於經典熱力學與量子力學的交叉。經典熱機如蒸汽機將熱能轉化為機械功，驅動了工業革命。而在量子尺度上，科學家試圖利用隧穿、糾纏、疊加等奇特現象，在極小的能量尺度下實現同樣的能量轉換。此次實驗的成功，為這一設想提供了堅實的實物証據。

研究團隊表示，這項技術的長遠目標之一是開發完全自主運行的量子熱機，使其能夠在無需將大量微波信號從極低溫環境傳輸到室溫的情況下，完成量子比特的讀取等操作。這對於降低未來量子計算機的復雜度和成本至關重要。

芬蘭國家量子技術戰略提出，到2035年建成擁有1000個邏輯量子比特的量子計算機。據研究團隊估算，這可能需要數十萬個物理量子比特。若採用現有技術，需要鋪設數百萬根微波電纜，每根造價高達數千歐元，且電纜本身會引入噪聲干擾。而自主運行的量子熱機有望大幅削減這些線纜需求，從根本上簡化系統架構。（記者張夢然）

【總編輯圈點】

量子熱力學研究極小量子尺度下熱量流動和能量轉化。此次，這一領域有了重大突破，科研團隊造出了全世界首台靠超導電路運轉的量子熱機，用量子比特搭配微型量子制冷設備，在極低溫環境下完成熱能轉做功的完整循環。借助這一方法，科研人員有望搭建全新的量子熱力學實驗平台。未來，這一技術還可推動高性能量子設備走向實用化，長遠來看能加速量子計算在科研產業領域的普及，為新材料研發、復雜量子運算等場景打下硬件基礎。