全球首台超导量子热机诞生：利用量子尺度热能为未来大规模量子计算铺路

7 月 14 日消息，芬兰阿尔托大学（Aalto University）当地时间 7 月 13 日发布公报，该校研究人员成功研制出全球首个基于超导电路的循环量子热机，并完成实验验证。

这一成果展示了量子热力学领域的重要进展，有望为未来高量子比特数量子计算机的发展提供新的技术路径。相关研究论文已于 2026 年 7 月 13 日发表于《Nature Communications》。

传统热机通过热能转化为机械能或电能，例如詹姆斯 · 瓦特改良的纽科门蒸汽机奠定了工业革命的重要基础，以及如今汽车、船舶、飞机和发电站中使用的动力系统。而量子热机则尝试在微观量子尺度下实现类似过程，将量子系统中的热能转化为可利用的能量。

阿尔托大学研究团队此次制造的量子热机由超导电路构成，核心组件包括一个透射子量子比特（transmon qubit）、一个谐振器以及一个量子制冷器。该装置运行在接近绝对零度的低温环境中，通过控制极低温量子系统中的热流，实现了循环工作过程。

研究团队由芬兰科学院教授米科 · 莫特宁（Mikko Möttönen）带领，论文第一作者图奥马斯 · 乌斯纳基（Tuomas Uusnäkki）介绍称，研究人员利用纳米制造技术构建了超导热机，并将其安装在低温恒温器中运行。

作为现代量子技术基础元件之一的透射子量子比特，被用于承担热机核心工作。该装置采用了类似汽车发动机工作原理的奥托循环（Otto cycle）。研究人员通过将量子比特连接至量子电路制冷器，实现了对量子尺度热量传输的控制，并证明热量可以被转换为可测量的有效功。

与传统热机需要分别设置高温热源和低温冷源不同，该量子热机使用一个可调节的量子电路制冷器，同时承担加热和冷却功能。研究人员通过精确控制微波脉冲，让量子比特按照设计好的循环过程运行，并实时监测其状态变化，最终观察到循环过程中产生了正功。

乌斯纳基表示，这是首次在超导电路中实现循环量子热机实验验证。利用单个可控量子制冷器同时模拟热源和冷源，可以让量子热机结构更加简单，同时提升系统灵活性。

研究团队目前正在进一步优化该设计，希望未来打造完全自主运行的量子热机。例如，该设备未来可以帮助量子计算机完成量子比特读取等任务，减少目前超导量子计算机对大量微波控制线路的依赖。

研究人员指出，未来大规模量子计算机通常需要数量庞大的物理量子比特。以芬兰量子技术战略提出的 2035 年实现 1000 个逻辑量子比特目标为例，可能需要数十万个物理量子比特。按照当前技术方案，每个量子比特往往需要连接复杂的微波控制线路，这些线路不仅成本较高，也可能向系统引入噪声。如果未来能够利用集成在超导芯片中的自主量子设备替代部分外部控制线路，或可降低高量子比特数量子计算机的制造复杂度。

量子热力学研究旨在探索热力学规律在量子世界中的表现形式。研究人员希望通过理解隧穿、量子纠缠和量子叠加等现象与热力学过程之间的关系，为量子技术发展提供新的理论和工程基础。

IT之家附论文地址：https://www.doi.org/10.1038/s41467-026-72651-x