2026年7月13日——热力学原理在量子领域的应用已取得最新进展，这一突破有望推动量子技术的发展，而更清晰的量子热力学图景也能反过来加深我们对经典热力学的理解。如今，阿尔托大学的研究人员已在超导电路中演示了首个循环量子热机。

物理学家们越来越着迷于将经典热力学与量子力学相结合的想法。量子力学描述的是原子以下微观尺度上粒子的行为，而热力学则研究从分子到整个宇宙的大型系统。隧道效应、纠缠和叠加等奇异的量子现象，如何与引发工业革命的热机那种沉稳的熟悉感相融合？

热机，例如詹姆斯·瓦特著名的蒸汽机，能将热量转化为有用能量，即转化为功。它们驱动着我们的汽车、轮船和飞机，大多数发电厂也通过热机发电。如今，世界上首个超导量子热机已经问世：这是一个微小的装置，由一个transmon量子比特、一个谐振器和一个量子冰箱组成。

该超导热机利用超低温量子条件下的微小热量，循环输出正功，这是量子工程师长期以来追求的目标。该装置为超导热机提供了坚实的原理验证，可用于开发改良的量子计算机技术。

精心设计的循环

研究团队在超导电路中创建了一个奥托循环——这种热力学过程除了其他用途外，也是汽车发动机的动力来源。

该研究的第一作者Tuomas Uusnäkki 表示：“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transmon量子比特，这是现代量子技术的基本构建模块之一。”

通过将transmon量子比特连接到量子电路冰箱，研究团队能够在量子尺度上控制热流，并证明它可以转化为可测量的功。与使用独立热源和冷源的典型热机不同，量子热机依赖量子冰箱来同时提供热量和冷量。

Uusnäkki 解释道：“我们的量子电路冰箱可以按需调节，既能加热也能冷却量子比特。通过精心定时的控制脉冲，我们以奥托循环驱动热机，并在其运行过程中监测量子比特的状态。”

研究人员观察到，循环中流经量子比特的热量产生了正功。

Uusnäkki 说：“这是超导电路中循环量子热机的首次实验演示。使用一个可控的量子冰箱同时作为热机的热环境和冷环境，使其更简单且更通用。”

面向未来量子计算机的自主热机

该团队正在努力改进他们的设计，目标是制造一个完全自主的热机，能够完成诸如读取量子比特等任务，而无需将微波脉冲从毫开尔文温度提高到室温。超导电路上的自主热机未来可以降低高量子比特数计算机的成本和复杂性。

Möttönen 表示：“芬兰量子技术战略设想到2035年实现拥有一千个逻辑量子比特的量子计算机，这可能意味着数十万个物理量子比特。用当前技术实现这一目标需要数百万根微波电缆，每根成本高达数千欧元。这些电缆还会向系统引入噪声。而使用自主设备则基本上可以消除对这些电缆的需求。”

在这项开创性研究中，研究人员使用了芬兰国家纳米、微米和量子技术研究基础设施OtaNano的设施。该工作得到了芬兰研究委员会和芬兰文化基金会的资助。