7 月 14 日消息，芬蘭阿爾托大學（Aalto University）當地時間 7 月 13 日發(fā)布公報，該校研究人員成功研制出全球首個基于超導電路的循環(huán)量子熱機，并完成實驗驗證。

這一成果展示了量子熱力學領域的重要進展，有望為未來高量子比特數量子計算機的發(fā)展提供新的技術路徑。相關研究論文已于 2026 年 7 月 13 日發(fā)表于《Nature Communications》。

傳統(tǒng)熱機通過熱能轉化為機械能或電能，例如詹姆斯 · 瓦特改良的紐科門蒸汽機奠定了工業(yè)革命的重要基礎，以及如今汽車、船舶、飛機和發(fā)電站中使用的動力系統(tǒng)。而量子熱機則嘗試在微觀量子尺度下實現類似過程，將量子系統(tǒng)中的熱能轉化為可利用的能量。

阿爾托大學研究團隊此次制造的量子熱機由超導電路構成，核心組件包括一個透射子量子比特（transmon qubit）、一個諧振器以及一個量子制冷器。該裝置運行在接近絕對零度的低溫環(huán)境中，通過控制極低溫量子系統(tǒng)中的熱流，實現了循環(huán)工作過程。

研究團隊由芬蘭科學院教授米科 · 莫特寧（Mikko M?tt?nen）帶領，論文第一作者圖奧馬斯 · 烏斯納基（Tuomas Uusn?kki）介紹稱，研究人員利用納米制造技術構建了超導熱機，并將其安裝在低溫恒溫器中運行。

作為現代量子技術基礎元件之一的透射子量子比特，被用于承擔熱機核心工作。該裝置采用了類似汽車發(fā)動機工作原理的奧托循環(huán)（Otto cycle）。研究人員通過將量子比特連接至量子電路制冷器，實現了對量子尺度熱量傳輸的控制，并證明熱量可以被轉換為可測量的有效功。

與傳統(tǒng)熱機需要分別設置高溫熱源和低溫冷源不同，該量子熱機使用一個可調節(jié)的量子電路制冷器，同時承擔加熱和冷卻功能。研究人員通過精確控制微波脈沖，讓量子比特按照設計好的循環(huán)過程運行，并實時監(jiān)測其狀態(tài)變化，最終觀察到循環(huán)過程中產生了正功。

烏斯納基表示，這是首次在超導電路中實現循環(huán)量子熱機實驗驗證。利用單個可控量子制冷器同時模擬熱源和冷源，可以讓量子熱機結構更加簡單，同時提升系統(tǒng)靈活性。

研究團隊目前正在進一步優(yōu)化該設計，希望未來打造完全自主運行的量子熱機。例如，該設備未來可以幫助量子計算機完成量子比特讀取等任務，減少目前超導量子計算機對大量微波控制線路的依賴。

研究人員指出，未來大規(guī)模量子計算機通常需要數量龐大的物理量子比特。以芬蘭量子技術戰(zhàn)略提出的 2035 年實現 1000 個邏輯量子比特目標為例，可能需要數十萬個物理量子比特。按照當前技術方案，每個量子比特往往需要連接復雜的微波控制線路，這些線路不僅成本較高，也可能向系統(tǒng)引入噪聲。如果未來能夠利用集成在超導芯片中的自主量子設備替代部分外部控制線路，或可降低高量子比特數量子計算機的制造復雜度。

量子熱力學研究旨在探索熱力學規(guī)律在量子世界中的表現形式。研究人員希望通過理解隧穿、量子糾纏和量子疊加等現象與熱力學過程之間的關系，為量子技術發(fā)展提供新的理論和工程基礎。