量子计算机需要极低温才能运行，但维持低温的系统本身会产生噪声，从而破坏脆弱的量子信息。瑞典科学家现在颠覆性反转了这个问题，他们制造出微型量子冰箱，实际上利用噪声而非对抗噪声来实现冷却。通过在难以想象的微小尺度上精准操控热量，该装置能在量子电路中扮演冰箱、热机或能量放大器的角色。
量子技术被广泛预期将重塑社会的各大领域。潜在应用包括药物发现、人工智能、物流优化和安全通信。尽管前景广阔，但严峻的技术障碍依然阻碍其在实际世界中的应用。最困难的挑战之一是维持和控制使这些系统得以运行的脆弱的量子态。
为什么量子计算机必须接近绝对零度
采用超导电路构建的量子计算机必须冷却到非常接近绝对零度（约-273°C）的温度。在这些温度下，材料变得超导，允许电子无阻力移动。只有在这些极端条件下，量子比特（量子信息的基本单位）内部才能形成稳定的量子态。
这些量子态极其敏感。温度、电磁干扰或背景噪声的微小变化都可能迅速擦除存储的信息。这种敏感性使得量子系统难以操作，更难以扩展。
随着研究人员试图扩大量子计算机规模以解决实际问题，热量和噪声变得愈发难以控制。更大、更复杂的系统为有害能量扩散并破坏脆弱的量子态创造了更多机会。
"许多量子器件的性能最终受限于能量的传输和耗散方式。理解这些路径并能够测量它们，使我们能够设计出热流可预测、可控甚至有用的量子器件，"查尔姆斯理工大学量子技术博士生、该研究的主要作者Simon Sundelin表示。
利用噪声作为冷却工具
在发表于《自然·通讯》的一项研究中，查尔姆斯团队描述了一种根本不同的量子制冷机。该系统不是试图消除噪声，而是将其用作冷却背后的驱动力。
"物理学家们长期以来一直在推测一种称为布朗制冷的现象；其理念是可以利用随机的热涨落来产生冷却效应。我们的工作是迄今为止对这一概念最接近的实现，"查尔姆斯理工大学副教授、该研究的高级作者Simone Gasparinetti说。
该制冷机的核心是一个在查尔姆斯纳米制造实验室制造的超导人造分子。它的行为非常像天然分子，但不是由原子构成，而是由微小的超导电路组成。
这个人造分子连接到多个微波通道。通过添加在窄频率范围内以随机信号波动形式存在的、经过精心控制的微波噪声，研究人员能够以非凡的精度引导热量和能量如何在系统中移动。
"这两个微波通道充当热库和冷库，但关键在于，只有当我们通过第三个端口注入受控噪声时，它们才被有效地连接起来。这种注入的噪声能够通过人造分子实现并驱动储库间的热传输。我们能够测量到极其微小的热流，低至阿瓦特量级的功率，即10的负18次方瓦特。如果用这么小的热流去加热一滴水，使其温度升高一摄氏度所需的时间将与宇宙的年龄相当，"Sundelin解释道。
通往可扩展量子技术的新路径
通过精心调整储库温度并追踪微小的热流，该量子制冷机可以多种方式运行。根据条件不同，它可以用作制冷机、充当热机或放大热传输。
这种控制水平在更大的量子系统中尤其重要，因为在量子比特操作和测量过程中，热量会在局部产生。直接在量子电路内部管理这些热量，可以以传统冷却系统无法做到的方式提高稳定性和性能。
"我们认为这是朝着在量子电路内部、在传统冷却系统无法达到的尺度上直接控制热量迈出的重要一步。能够在这个微小尺度上移除或重新引导热量，为更可靠、更强健的量子技术打开了大门，"查尔姆斯理工大学量子技术研究员、该研究的合著者Aamir Ali说。
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这项发表于科学期刊《自然·通讯》的研究题为《超导电路中由噪声驱动的量子制冷》。作者是来自查尔姆斯理工大学微技术与纳米科学系的Simon Sundelin、Mohammed Ali Aamir、Vyom Manish Kulkarni、Claudia Castillo-Moreno和Simone Gasparinetti。
该量子制冷机是在查尔姆斯理工大学的Myfab纳米制造实验室制造的。
本研究获得的资金支持来自瑞典研究委员会、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会通过瓦伦堡量子技术中心(WACQT)提供的资助、欧洲研究理事会以及欧洲联盟。