全球首台超导量子热机研制成功——量子热力学从理论走向实验的关键一步

2026年7月13日，芬兰阿尔托大学（Aalto University）研究团队在国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表论文，宣布成功研制出全球首个基于超导电路的循环量子热机。这一突破标志着量子热力学从理论构想迈入了实验验证的新阶段，也为未来大规模量子计算机的研发开辟了全新的技术路径。

从经典热机到量子热机

热机是人类文明进程中最伟大的发明之一。詹姆斯·瓦特改良的蒸汽机奠定了工业革命的基础，而今天的热机依然驱动着汽车、船舶、飞机，并为绝大多数发电站提供动力。经典热机通过温度差将热能转化为机械功或电能，其背后的热力学定律描述的是宏观系统的行为。

量子热机则试图在微观量子尺度上实现同样的能量转换——利用量子世界中诸如隧穿、纠缠、叠加等奇特现象，在极小的能量尺度下完成热能到有用功的转化。然而，要在实验上实现这一构想绝非易事：量子热机需要对热库和量子工作介质的能量进行精确控制。尽管超导电路为精确工程化调控量子系统提供了强大的平台，但在此之前，尚未有人利用超导电路在实验上实现循环量子热机。

装置构成与工作原理

阿尔托大学团队此次制造的量子热机是一个微型装置，由超导电路构成，核心组件包括三个部分：一个透射子量子比特（transmon qubit）、一个谐振器（resonator）以及一个量子电路制冷器（quantum-circuit refrigerator, QCR）。其中，透射子量子比特是现代量子计算的基础元件之一，在该装置中充当热机的工作介质。研究团队利用纳米制造技术构建了该超导热机，并将其安装在低温恒温器（cryostat）中，运行在接近绝对零度的极低温环境。

该装置采用了类似汽车发动机工作原理的奥托循环（Otto cycle）。研究人员通过将透射子量子比特连接至量子电路制冷器，实现了对量子尺度热量流入与流出的精确控制。与传统热机依赖两个独立的冷、热源不同，这台量子热机创新地使用同一个可调谐的量子电路制冷器，根据需要随时对量子比特进行加热或制冷。论文第一作者图奥马斯·乌斯纳基（Tuomas Uusnäkki）表示：“我们的量子电路制冷器可以按需调谐到加热或冷却量子比特两种模式。利用精确定时的控制脉冲，我们驱动热机完成奥托循环，并在运行过程中实时监测量子比特的状态。”

整个循环过程包括四个冲程：量子比特首先膨胀——其跃迁频率降低；随后制冷器移除热能使其冷却；接着是压缩——跃迁频率升高；最后加热冲程完成整个循环。在膨胀阶段，量子比特对控制其频率的场做功；在压缩阶段，则需要向系统输入功。由于压缩阶段量子比特的激发数更少，输入功小于膨胀阶段提取的功，两者之差便产生了正功输出。实验结果显示，流经量子比特的热量确实转化为了可测量的正功。

“这是首次在超导电路中实现循环量子热机的实验验证，”乌斯纳基强调，“利用单个可控的量子制冷器同时充当热机和冷机环境，使量子热机的结构更加简单，也更具灵活性。”

实验验证与理论吻合

研究团队通过重复的单次测量（single-shot readout）追踪了量子比特状态的演变——每个测量点基于10,000次读出结果，从而估算状态布居数、内能和有效温度。实验跟踪了热机连续三个循环的运行过程，测量行为与基于开放量子系统的模拟结果高度吻合。初始时量子比特的有效温度约为160毫开尔文；三个循环后，其估算温度从约200毫开尔文上升至约600毫开尔文。研究团队测得了正的输出功率和效率，与相应的热力学模拟一致。这一结果验证了量子热机的热力学模型，推进了对热环境的控制能力，并为探索可能的量子优势开辟了新的方向。

长远目标：自主运行的量子热机

研究团队由芬兰科学院教授米科·莫特宁（Mikko Möttönen）领导。他们目前正在进一步优化设计，长远目标是开发完全自主运行的量子热机。

这一目标的战略意义在于解决超导量子计算机规模化面临的核心瓶颈。当前，超导量子计算机的每个量子比特都需要连接复杂的微波控制线路，这些线路需要将大量微波信号从极低温环境传输到室温。据估算，每条微波控制线缆造价高达数千欧元，且线缆本身会向系统引入噪声干扰。

芬兰的国家量子技术战略提出，到2035年建成拥有1000个逻辑量子比特的量子计算机。研究团队估算，这可能需要数十万个物理量子比特。若采用现有技术方案，这意味着需要铺设数百万根微波电缆。而自主运行的量子热机有望在超导芯片上直接完成量子比特读取等操作，大幅削减外部控制线缆的需求，从根本上简化系统架构、降低制造成本。

里程碑意义

这项成果不仅是量子热力学领域的里程碑，也为未来实用化、大规模量子计算机的构建开辟了一条全新的道路。借助这一方法，科研人员有望搭建全新的量子热力学实验平台。未来，这一技术还可推动高性能量子设备走向实用化，为新材料研发、复杂量子运算等场景打下硬件基础。正如《科技日报》总编辑圈点所言：“量子热力学研究极小量子尺度下热量流动和能量转化。此次，这一领域有了重大突破。”

相约深圳，共话微纳光学制造新机遇

第七届中德（欧）合作创新·微纳光学制造论坛，将于9月9日在深圳会展中心（宝安）召开，与深圳光博会首日同期举行。本届论坛由 深圳市微纳制造产业促进会 、 深圳市汉希卡德智能传感应用技术研究院主办 ，微纳视界承办，将汇聚国内外微纳制造领域的企业代表、专家学者及产业嘉宾，围绕微纳技术产业链发展、前沿技术创新与产业协同合作，开展主题演讲及圆桌对话。

现面向行业开放 参会报名、嘉宾演讲、企业展示及品牌赞助合作 ，诚邀微纳制造产业链上下游企业与业内同仁齐聚深圳，共话技术趋势，共拓合作机遇。点击下方图片可下载本届大会赞助及合作方案（内附联系方式）