[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。