芬蘭科學家研製出納米冰箱 可讓量子計算機「冷靜」

就連量子計算機也需要保持冷靜。現在，研究人員研製出一款納米級微型冰箱，以便讓量子比特保持運行所需的溫度。相關研究結果發表在《Nature Communications》上。

據外媒報道，經典計算機需要內置風扇以及採用其他辦法來散熱，量子計算機也不例外。量子計算機不像經典計算機那樣依賴非「0」即「1」的比特信息，它依賴的是「量子比特」。由於量子力學的怪異特性，量子比特可以同時以「0」和「1」兩種狀態存在，這被稱為「疊加態」。這些量子比特必須與所有外部噪音隔絕開來，因為最輕微的干擾也會破壞疊加態，從而導致運算錯誤。隔絕良好的量子比特極易升溫，因此讓它們保持低溫是一項挑戰。

同樣與經典計算機不同的是，量子比特必須從低溫基態開始進行運算。量子比特會在運算過程中升溫，因此如果你希望依次進行若干項運算，任何冷卻機制都必須快速起效。標準風扇根本沒法做到這一點。

現在，芬蘭阿爾託大學的米科·默特寧及其同事研製出第一部用於量子電路的獨立冷卻裝置。它最終可以被整合進許多種量子電子設備，包括量子計算機。這支團隊構建了一個有能隙的電路，這個能隙把兩條通道隔開：它們分別是超導「快車道」，電子以零電阻在其間飛馳，以及一條有電阻的「慢車道」。只有能量充足到足以跨越能隙的電子可以進入超導「快車道」，而其餘電子將困在「慢車道」中。

如果某個可憐電子的能量不足以完成飛越，那麼它可以從鄰近的一個共振器捕獲一個光子，以增加能量。這樣一來，共振器的溫度會逐漸降低。

隨著時間的推移，這也會對電子產生一種選擇性的冷卻效果：溫度更高的電子會越過能隙，溫度較低的電子則被落下。這個過程會把熱量從系統中帶走，這很像是冰箱的工作原理。

加州理工學院的斯皮羅斯·米哈拉基斯把這與著名的「麥克斯韋妖」思想實驗進行了一番不太嚴謹的類比。這個思想實驗假設一個小妖怪操控著一個充滿氣體分子、分為兩個室的盒子，室之間的隔牆上有個小門。這個小妖怪只允許溫度最高或是能量最充足的原子通過小門，最終導致兩個室之間存在巨大的溫度差異。

米哈拉基斯說，量子冰箱中沒有妖怪，但它的工作原理類似。他說：「它有點類似於麥克斯韋妖，只允許能量高於某個界限的電子通過。」

下一步將是利用這個裝置給真正的量子比特降溫，但要小心在冰箱停止工作時，不要意外破壞疊加態。默特寧對最終的成功抱有足夠的信心，他已經為該裝置申請專利。

他說：「沒準在10到15年後，它就能具有商業價值了。這將會花一些時間，但是我相當肯定我們能做到。」

原文 ：Quantum-circuit refrigerator