科学家找到用“噪音”给量子计算机降温的新方法

量子技术有望广泛重塑社会诸多重要领域，其潜在应用包括药物研发、人工智能、物流优化及安全通信等。尽管前景广阔，但实际应用仍面临严峻的技术障碍，其中最棘手的挑战之一便是维持和控制令这些系统正常工作的脆弱量子态。

为何量子计算机必须接近绝对零度
采用超导电路构建的量子计算机必须冷却至非常接近绝对零度的温度（约-273°C）。在此温度下，材料会变为超导体，使电子能无电阻移动。只有在这种极端条件下，量子信息的基本单位——量子比特内部才能形成稳定的量子态。这些量子态极为敏感，温度的微小变化、电磁干扰或背景噪声都可能迅速抹去存储的信息。这种敏感性使得量子系统不仅难以操作，更难以扩展。随着研究人员尝试扩大量子计算机规模以解决实际问题，热量和噪声的控制变得愈发困难。更大、更复杂的系统会增加多余能量扩散并破坏脆弱量子态的可能性。

查尔姆斯理工大学量子技术博士生、该研究的主要作者西蒙·松德林（Simon Sundelin）表示：“许多量子器件最终受限于能量的传输和耗散方式。理解这些路径并能够对其进行测量，使我们能够设计出热流可预测、可控制甚至有用的量子器件。”

将噪声用作冷却工具
在《自然·通讯》（Nature Communications）发表的一项研究中，查尔姆斯团队描述了一种原理完全不同的量子制冷器。该系统并非试图消除噪声，而是将其用作冷却的驱动力。

查尔姆斯理工大学副教授、该研究的资深作者西蒙妮·加斯帕里内蒂（Simone Gasparinetti）称：“物理学家长期以来一直在推测一种称为布朗制冷的现象，即利用随机热涨落产生冷却效果的想法。我们的研究是迄今为止对这一概念最接近的实现。”

该制冷器的核心是在查尔姆斯纳米制造实验室制造的超导人工分子。它的行为与天然分子非常相似，但并非由原子构成，而是由微小的超导电路组成。

这种人工分子与多个微波通道相连。研究人员通过在窄频率范围内添加随机信号波动形式的精确控制微波噪声，能够以极高的精度引导热量和能量在系统中的移动方式。

松德林解释道：“这两个微波通道充当热源和冷源，但关键在于，只有当我们通过第三个端口注入受控噪声时，它们才会有效连接。这种注入的噪声通过人工分子实现并驱动热源和冷源之间的热传输。我们能够测量到极小的热流，功率低至阿托瓦级（10⁻¹⁸瓦）。如果用这么小的热流加热一滴水，需要宇宙年龄那么长的时间才能使其温度升高1摄氏度。”

迈向可扩展量子技术的新路径
通过仔细调节储热器温度并跟踪微小热流，这种量子制冷器可以多种方式运行。根据条件不同，它可以作为制冷器、热机运行，或放大热传输。

这种控制水平在更大的量子系统中尤为重要，因为在这些系统中，量子比特运行和测量时会在局部产生热量。在量子电路内部直接管理这些热量，可能以传统冷却系统无法实现的方式提高稳定性和性能。

查尔姆斯理工大学量子技术研究员、该研究的合著者阿米尔·阿里（Aamir Ali）表示：“我们认为这是朝着在传统冷却系统无法达到的尺度上直接控制量子电路内部热量迈出的重要一步。能够在如此微小的尺度上移除或重定向热量，为更可靠、更稳健的量子技术打开了大门。”