量子計算機只有在極冷的情況下才能工作。問題是當今的冷卻系統仍然會產生噪音。這可能會干擾系統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推出了一種新型最小量子“冰箱”，將這一挑戰轉化為優勢。相反，該設備依賴於某些功能，而不是對抗噪音。其結果是熱量和能量流的精確控制。這可能有助於使大規模量子技術成為可能。
人們普遍期望量子技術能夠改變社會的重要組成部分。可能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一承諾，但嚴重的技術障礙仍然阻礙其實際使用。最困難的挑戰之一是維持和控制使這些系統正常工作的微妙量子態。
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至接近絕對零的溫度（約 273 °C）。該材料變得超導。這導致電子無阻力地移動。只有在這些極端條件下，量子位內部才能形成穩定的量子態。這是量子信息的基本單位
這些量子態極其敏感。溫度的輕微變化、電磁干擾或背景噪音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，甚至更難以擴展。
當研究人員試圖擴大量子計算機的規模來解決實際問題時，熱量和噪聲也變得更加難以控制。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。
“最終，許多量子設備受到能量傳輸和分配方式的限制。了解這些路徑並能夠測量它們，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 Simon Sundelin 說。
使用噪音作為冷卻工具
在發表於的一項研究中 自然交流查爾默斯團隊描述了一種完全不同類型的量子冰箱。系統並沒有試圖消除噪音，而是將其作為冷卻背後的驅動力。
“物理學家長期以來一直在推測一種稱為布朗冷卻的現象。這個想法是可以控制熱量的隨機波動以產生冷卻效果。我們的工作代表了迄今為止這一想法最接近的實現，”查爾姆斯理工大學副教授、該研究的資深作者西蒙·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超導人造分子。它的行為就像一個天然分子。但它不是由原子組成，而是由微小的超導電路組成。
人造分子連接到幾個微波通道。在窄頻率範圍內以隨機信號波動的形式添加精心控制的微波噪聲。研究人員能夠以極高的精度指導熱量和能量如何在系統中移動。
“這兩個微波通道充當熱庫和冷庫。但重要的是，只有當我們通過第三個端口注入受控干擾時，它們才能有效連接。這種注入的聲音通過人造分子實現並驅動庫之間的熱傳遞。如果使用如此小的熱流來加熱水滴，我們可以測量功率低至瓦特或10-18瓦的非常小的熱流。需要宇宙的年齡才能看到它的溫度。增加一攝氏度，”Sundelin解釋道。
可擴展量子技術的新途徑
通過仔細調節儲液器的溫度並跟隨少量的熱流。量子冰箱可以通過多種方式工作。根據不同的條件，它可以充當冰箱。充當熱機或膨脹傳熱
這種控制水平在大規模量子系統中尤其重要。在量子位的運行和測量過程中，機器內部會產生熱量。量子電路內的直接熱管理可以提高穩定性和效率，而傳統冷卻系統則無法做到這一點。
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：“我們認為這是朝著量子電路內直接熱控制邁出的重要一步。達到了傳統冷卻系統無法達到的水平。這種小規模消除或重新引導熱量的能力為更可靠、更強大的量子技術打開了大門。”
附加信息
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的 Myfab 納米加工實驗室製造的。
該研究的資金由瑞典研究委員會、克努特和愛麗絲·瓦倫堡基金會、歐洲研究委員會瓦倫堡量子技術中心（WACQT）提供。和歐盟
