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2026-08-25 18:33:43
（来源：中国航空报）
该实验将通常描述截然不同尺度的两个物理学领域联系起来。量子力学解释了物质在极小尺度（甚至小于原子尺度）下的行为，而热力学则描述了热量和能量在更大系统中的行为，从分子集合到宇宙本身。将二者结合起来，便引出了一个根本性的问题：当隧穿效应、纠缠和叠加等量子效应介入时，我们熟悉的那些热力学过程会发生什么变化？
专为量子世界打造的热机传统的热机
将热能转化为有用的功。詹姆斯·瓦特的蒸汽机就是一个著名的例子，但同样的基本概念仍然是现代交通运输和电力生产的核心，为汽车、轮船、飞机和许多发电厂提供动力。
研究人员现在制造出了世界上第一台超导量子热机。这个极其微小的装置结合了超导量子比特、谐振器和量子制冷机。
在超低温量子条件下运行，该热机能够利用微弱的可用热量反复产生正功。实现这种循环运行一直是量子热机研究人员的重要目标。这一成果为超导热机的概念验证提供了依据，并最终可能有助于改进量子计算技术。这项由米科·莫特宁教授领导的研究发表在《自然通讯》杂志上。
在接近绝对零度的条件下重现奥托循环
为了使热机运转，研究人员在超导电路中重现了奥托循环。奥托循环是一种热力学过程，也应用于汽车发动机和其他传统机械中。
“在我们的实验中，我们利用超导电路构建了一个纳米级热机，并在接近绝对零度的低温恒温器中运行它。其核心是一个超导量子比特（transmon qubit），它是现代量子技术的基本组成单元之一。”该研究的第一作者图奥马斯·乌斯纳基说道。
研究人员将超导量子比特连接到一个量子电路制冷机上，从而能够在量子尺度上控制热流，并证明这种热量可以转化为可测量的功。传统的热机通常依赖于独立的冷热环境。然而，在这个系统中，同一个量子制冷机可以同时提供加热和冷却。
“我们的量子电路制冷机可以根据需要调节，从而对量子比特进行加热和冷却。通过精确控制的脉冲，我们驱动热机进行奥托循环，并在热机运行过程中监测量子比特的状态。”乌斯纳基解释道。
测量结果表明，在循环过程中流经量子比特的热量产生了正功。“这是首次在超导电路中实验演示循环量子热机。使用单个可控量子制冷机同时作为热机的冷热环境，使其结构更简单、用途更广泛。”乌斯纳基说道。
研究人员目前正致力于改进设计，并最终开发出完全自主的热机。其中一个潜在应用是直接读取量子比特，而无须将微波脉冲从毫开尔文温度一路传输到室温。
随着量子计算机的发展，这项功能将变得尤为重要。将自主设备直接集成到超导电路中，可以降低包含大量量子比特的机器的成本和复杂性。 （逸文）
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