[科普中国]-“纳米冰箱”成功为量子电路制冷

《自然·通讯》杂志在线版8日刊登了芬兰科学家的一项突破性研究成果：他们研制出一种被称为“纳米冰箱”的量子电路制冷装置，能让量子位保持在足够低的温度下，从而准确可靠地运行。研究人员表示，这种制冷器未来能集成到包括量子计算机在内的多种量子电气设备中。

普通计算机用0和1存储信息，可通过制冷扇或制冷罩等方式散热降温。而量子计算机使用量子位存储信息，这些量子位是两个能态叠加后形成的双态量子系统。由于叠加态量子位对外部干扰非常敏感，轻微干扰就会破坏它们，造成运算错误，因此必须将其与外部干扰很好隔离。但量子位在隔离后很容易变热升温，对量子计算机造成影响。

量子计算机在执行快速运算中，会有成千上万量子位同时参与。为了保证计算结果准确无误，量子位在开始一种算法之前，必须初始化至低温能态。如果量子位过热，就无法实现初始化，从而在运行多个量子算法时不能快速切换。

针对上述问题，芬兰阿尔托大学量子物理学家米可·默托恩和同事研制出一种量子电路制冷器。量子电路通过两个独立的电子隧道形成能带，一个电子隧道是允许电子零电阻通过的超导快速通道，另一个是非超导的慢速通道。慢速通道内的电子能够摄取附近量子设备中多余热量，跃迁到超导通道。高温电子跃过能带，低温电子“滞留”下来，就像冰箱制冷机制一样，将量子系统内的热量带走。

在测试实验中，该量子制冷装置成功让量子超导谐振器冷却下来。通过调整外部电压，就能实现对冷却的开关控制。下一步，研究团队将改进纳米制冷器并测试其对实际量子位的冷却效果。

默托恩表示，新纳米制冷器有望5年到10年内实现商业化，让未来量子设备执行运算任务时，在不同算法间快速切换，提高其运算能力和可靠程度。