[科普中國]-“納米冰箱”成功為量子電路制冷

《自然·通訊》雜志在線版8日刊登了芬蘭科學家的一項突破性研究成果：他們研制出一種被稱為“納米冰箱”的量子電路制冷裝置，能讓量子位保持在足夠低的溫度下，從而準確可靠地運行。研究人員表示，這種制冷器未來能集成到包括量子計算機在內(nèi)的多種量子電氣設備中。

普通計算機用0和1存儲信息，可通過制冷扇或制冷罩等方式散熱降溫。而量子計算機使用量子位存儲信息，這些量子位是兩個能態(tài)疊加后形成的雙態(tài)量子系統(tǒng)。由于疊加態(tài)量子位對外部干擾非常敏感，輕微干擾就會破壞它們，造成運算錯誤，因此必須將其與外部干擾很好隔離。但量子位在隔離后很容易變熱升溫，對量子計算機造成影響。

量子計算機在執(zhí)行快速運算中，會有成千上萬量子位同時參與。為了保證計算結果準確無誤，量子位在開始一種算法之前，必須初始化至低溫能態(tài)。如果量子位過熱，就無法實現(xiàn)初始化，從而在運行多個量子算法時不能快速切換。

針對上述問題，芬蘭阿爾托大學量子物理學家米可·默托恩和同事研制出一種量子電路制冷器。量子電路通過兩個獨立的電子隧道形成能帶，一個電子隧道是允許電子零電阻通過的超導快速通道，另一個是非超導的慢速通道。慢速通道內(nèi)的電子能夠攝取附近量子設備中多余熱量，躍遷到超導通道。高溫電子躍過能帶，低溫電子“滯留”下來，就像冰箱制冷機制一樣，將量子系統(tǒng)內(nèi)的熱量帶走。

在測試實驗中，該量子制冷裝置成功讓量子超導諧振器冷卻下來。通過調整外部電壓，就能實現(xiàn)對冷卻的開關控制。下一步，研究團隊將改進納米制冷器并測試其對實際量子位的冷卻效果。

默托恩表示，新納米制冷器有望5年到10年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化，讓未來量子設備執(zhí)行運算任務時，在不同算法間快速切換，提高其運算能力和可靠程度。