[科普中國(guó)]-“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(xué)家的一項(xiàng)突破性研究成果：他們研制出一種被稱(chēng)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(zhǔn)確可靠地運(yùn)行。研究人員表示，這種制冷器未來(lái)能集成到包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的多種量子電氣設(shè)備中。

普通計(jì)算機(jī)用0和1存儲(chǔ)信息，可通過(guò)制冷扇或制冷罩等方式散熱降溫。而量子計(jì)算機(jī)使用量子位存儲(chǔ)信息，這些量子位是兩個(gè)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(duì)外部干擾非常敏感，輕微干擾就會(huì)破壞它們，造成運(yùn)算錯(cuò)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(duì)量子計(jì)算機(jī)造成影響。

量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行快速運(yùn)算中，會(huì)有成千上萬(wàn)量子位同時(shí)參與。為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤，量子位在開(kāi)始一種算法之前，必須初始化至低溫能態(tài)。如果量子位過(guò)熱，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)初始化，從而在運(yùn)行多個(gè)量子算法時(shí)不能快速切換。

針對(duì)上述問(wèn)題，芬蘭阿爾托大學(xué)量子物理學(xué)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(guò)兩個(gè)獨(dú)立的電子隧道形成能帶，一個(gè)電子隧道是允許電子零電阻通過(guò)的超導(dǎo)快速通道，另一個(gè)是非超導(dǎo)的慢速通道。慢速通道內(nèi)的電子能夠攝取附近量子設(shè)備中多余熱量，躍遷到超導(dǎo)通道。高溫電子躍過(guò)能帶，低溫電子“滯留”下來(lái)，就像冰箱制冷機(jī)制一樣，將量子系統(tǒng)內(nèi)的熱量帶走。

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，該量子制冷裝置成功讓量子超導(dǎo)諧振器冷卻下來(lái)。通過(guò)調(diào)整外部電壓，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻的開(kāi)關(guān)控制。下一步，研究團(tuán)隊(duì)將改進(jìn)納米制冷器并測(cè)試其對(duì)實(shí)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化，讓未來(lái)量子設(shè)備執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)時(shí)，在不同算法間快速切換，提高其運(yùn)算能力和可靠程度。