芬蘭阿爾託大學的科學家們成功研發出世界首個循環熱機，該熱機運作於超導電路內，並利用微量的熱量來自量子冰箱，將其轉換為有用的能量。這項研究有望在未來建造擁有數千個量子比特的量子電腦時，節省數千歐元的成本。芬蘭的量子科技策略旨在於 2035 年前建造一台擁有一千個邏輯量子比特的量子電腦。如此規模的量子電腦需連接數十萬個物理量子比特，並通過數百萬條微波電纜互相連接。根據目前的價格，每條電纜的成本約為一千歐元，這使得量子電腦的整體成本大幅上升。
阿爾託大學的科學家們也關注到這些基礎設施在量子系統設置中引入的噪聲，並思考是否可以採用替代方案。
解決此問題的方法是建造量子尺度的自主設備，從而完全消除這些電纜。然而，為了構建如此規模的自主設備，科學家們必須首先建立一個量子熱機。
芬蘭阿爾託大學成功研發世界首個循環熱機
熱機在促成工業革命中發揮了關鍵作用，無論是汽車、飛機、船隻還是發電廠，熱機隨處可見。它們將熱能轉換為可應用於工作的有用能量。儘管過去我們建造了越來越大的熱機，物理學家們現在對於在量子尺度上實現經典熱力學的想法充滿了興趣。由芬蘭阿爾託大學的量子科技教授米克科·莫頓寧（Mikko Möttönen）領導的團隊，利用一個超導量子比特、共振器和量子冰箱實現了這一突破。
“在我們的實驗中，我們使用超導電路建造了一個納米製造的熱機，並在接近絕對零度的冷卻裝置中運行它，”參與建造該設備的圖馬斯·尤斯納基（Tuomas Uusnäkki）解釋道。該團隊創建了奧託循環，即在超導電路內驅動汽車引擎的熱力學過程。
為了確定熱機是否能進行可測量的工作，團隊將量子比特轉移至量子電路冰箱，並控制量子規模的熱流。與其他熱機不同，量子熱機同時利用量子冰箱提供熱量和冷卻，這使得系統簡單而多功能。“我們的量子電路冰箱可以根據需求調整以同時加熱和冷卻量子比特。通過精確計時的控制脈沖，我們在奧託循環中驅動熱機，並在運行過程中監測量子比特的狀態，”尤斯納基補充道。
建造量子熱機的成就為建造整體自主熱機鋪平了道路，該熱機能像讀取量子比特那樣執行工作，而無需使用從接近絕對零度到室温的微波脈沖。除了能節省數千歐元的微波電纜成本，這種自主熱機還將有助於降低未來建造量子電腦的複雜性。研究結果已發表於《自然》期刊。