【新唐人北京時間2026年07月29日訊】近年來，人們對熱力學原理如何適用於量子領域的理解不斷提升，這項進展有望推動量子技術的發展；反過來，對量子熱力學（quantum thermodynamics）更清晰的認識，也有助於深化我們對經典熱力學的理解。如今，芬蘭阿爾托大學（Aalto University）的研究人員已在一個超導電路（superconducting circuit）中，成功展示了全球首個循環式量子熱機。

物理學家對於將古典熱力學與量子力學結合的想法愈來愈著迷。量子力學描述的是微小尺度——比原子還小——的粒子行為，而熱力學則關乎大型系統，從分子到整個宇宙皆然。像穿隧效應、量子糾纏與疊加態等奇特的量子現象，要如何與那些開啟工業革命的熱機所展現的沉穩而熟悉的氣質交織在一起呢？

熱機，例如著名的詹姆斯‧瓦特（James Watt）蒸汽機，能將熱轉換為有用的能量，也就是「功」。熱機驅動著我們的汽車、船舶與飛機，而大多數發電廠也是靠熱機來發電。

如今，世界上第一個超導量子熱機（superconducting quantum heat engine）已經問世：這是一個由「跨模態量子比特」（transmon qubit，註：這是一種主流的超導量子比特設計，是目前IBM和谷歌等公司製造超導量子計算機時的常用基礎單元）、共振器（resonator，註：用來儲存和傳遞微波能量，並與量子比特耦合的元件）與量子冷凍機（作用相當於典型熱機的冷、熱源）組成的微型裝置。

這台超導熱機利用超低溫量子環境中極其微量的熱能，以循環方式持續輸出正功（positive work）——這是量子工程師長期以來一直在追求的目標。該裝置為超導熱機提供了扎實的概念驗證，未來可用於開發更先進的量子計算機技術。

這項研究由院士教授米科‧莫托寧（Mikko Möttönen）主持，於2026年7月13日發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。

精心設計的循環

研究團隊在超導電路中打造了一個奧托循環（Otto cycle，註：四行程汽油內燃機的基本熱力學循環，包括壓縮、加熱、膨脹做功、排熱四個主要階段）——這是一種為汽車引擎等裝置提供動力的熱力學循環過程。

「在我們的實驗中，我們以超導電路建造了一個奈米級的熱機，並將其運作在接近絕對零度的低溫恆溫器中。它的核心是一個『跨模態量子比特』，這是現代量子科技的基本構件之一。」該研究的第一作者圖奧馬斯‧烏斯納基（Tuomas Uusnäkki）表示。

透過將「跨模態量子比特」連接到量子電路冷凍機，團隊得以在量子尺度上控制熱的流動，並證明這些熱可以被轉換為可測量的功。與使用獨立冷、熱源的典型熱機不同，這個量子熱機仰賴一台量子冷凍機同時提供熱量與冷卻。

「我們的量子電路冷凍機可以依需求調節，對量子比特進行加熱或冷卻。透過精準計時的控制脈衝，我們驅動熱機執行奧托循環，並在熱機運轉過程中監測量子比特的狀態。」烏斯納基解釋道。

研究人員發現，在循環過程中流經量子比特的熱量產生了正功。

「這是首次在超導電路中，以實驗方式展示循環式量子熱機。利用單一可控制的量子冷凍機，同時作為熱機的熱源與冷源環境，使整個系統更加簡單，也更具靈活性。」烏斯納基說。

用於未來量子計算機的自主熱機

研究團隊正致力於改進其設計，目標是打造完全自主運作的熱機，使其能夠執行量子比特讀取等工作，而無須再將微波訊號從毫開爾文（milli-kelvin，千分之一開爾文）的超低溫環境傳送至室溫設備處理——目前超導量子計算機通常需要將量子晶片在毫開爾文的超低溫下產生的微波讀出訊號，透過大量線纜送到室溫電子設備進行放大與分析。這是目前量子計算機成本高、布線複雜的重要原因之一。

這種運行於超導電路上的自主熱機，未來有望降低「高量子比特數」（high-qubit-count）量子計算機的成本與系統複雜度。

「芬蘭的量子科技戰略規劃在2035年前實現擁有一千個邏輯量子比特的量子計算機，這可能意味著需要數十萬個實體量子比特。若使用現有技術來達成此目標，需要數百萬條微波纜線，每條成本高達數千歐元，而且這些纜線還會為系統引入雜訊。相對地，改用自主式裝置，將可大幅消除對這些纜線的需求。」莫托寧表示。

（轉自大紀元/責任編輯：葉萍）