参考消息网2月25日报道 据美国《科学日报》网站1月29日报道，量子计算机只有保持极端低温时才能正常工作。问题在于，当今的制冷系统会同时产生噪声，极易干扰本应被妥善保护的脆弱量子信息。瑞典查默斯理工学院研究人员现在提出了把这个挑战转化为优势的新型极简量子“冰箱”概念。该装置不是消除噪声，而是部分依赖噪声实现制冷。其结果是对于热量和能量流动的极精确控制，从而可能有助于使大型量子技术成为可能。

  人们广泛预期量子技术将重塑社会的主要领域。潜在应用包括药物发现、人工智能、物流优化和保密通信。尽管前景广阔，但仍存在阻碍真实世界应用的重大技术障碍。其中最大挑战之一是维持和控制这些量子系统赖以运转的脆弱量子态。

  采用超导电路构建的量子计算机必须冷却至接近绝对零度(约-273°C)的温度。在这样的温度下，材料具有超导特性，从而使电子可以不受阻碍地移动。只有在这样的极端条件下，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。

  这些量子态极为敏感。温度、电磁干扰或背景噪声的微小变化都可能迅速抹去其中存储的信息。这种高度敏感性使得量子系统的日常运转难度极大，更成为其规模化升级的重要阻碍。

  随着研究人员试图扩展量子计算机的规模以解决实际问题，热量和噪声变得更加难以控制。更为庞大、复杂的量子系统，会让无用能量更易扩散，进而扰乱脆弱的量子态。

  查默斯理工学院量子技术专业博士生、研究论文第一作者西蒙·松德林说：“许多量子设备最终受到能量传输和耗散方式的限制。理解这些路径并能对它们进行测量，将让我们能够设计出可以预测、控制甚至利用热流的量子设备。”

  在发表于《自然-通讯》杂志的论文中，查默斯团队描述了一种原理截然不同的量子“冰箱”。该系统不是试图消除噪声，而是把噪声作为制冷操作背后的驱动力。

  查默斯理工学院副教授、论文资深作者西莫内·加斯帕里内蒂说：“物理学家长期以来一直猜测存在一种所谓的布朗制冷现象，即随机的热涨落可以用来生成制冷效果。我们的研究是迄今为止对这一概念最为接近的实现。”

  这种“冰箱”的核心是查默斯理工大学纳米加工实验室制造的超导人造分子。该分子的行为特性与天然分子基本相同，但它并非由原子、而是由微型超导电路构建。

  该人造分子被连接到多个微波通道。研究人员通过在窄频率范围内，注入经精准调控、以随机信号波动形式存在的微波噪声，就能以极高的精度，引导热量和能量在整个系统中的传输方向。

  松德林解释说：“两个微波通道分别充当热源和冷源，但关键在于，只有当我们通过第三端口注入受控噪声时，它们才会被有效连接。这种注入的噪声促使热量通过人造分子在热源和冷源之间传输。我们能够对极其微弱的热流(功率低至阿瓦量级，即10的负18次方瓦特)进行测量。倘若使用如此微弱的热流加热一滴水，需要相当于宇宙年龄的时间才能使其升温一摄氏度。”

  通过精准调节热源和冷源的温度并追踪微弱热流，该量子“冰箱”能够以多种方式运行。取决于所处状态，它可以作为冰箱、热机，或用来增强热传输。

  这种级别的控制对于大型量子系统尤其重要：此类系统在量子比特的操作和测量过程中会局部产生热量。直接在量子电路内管理这部分热量，将能以传统制冷系统无法实现的方式提高稳定性和计算性能。

  查默斯理工学院量子技术研究人员、论文联合作者阿米尔·阿里说：“我们认为，这是朝以传统制冷系统无法实现的级别直接在量子电路内部控制热量迈出的重要一步。能够在如此微小的级别上消除或转移热量，将为更加可靠和稳健的量子技术创造可能。”（编译/曹卫国）