7月13日，芬兰阿尔托大学研究团队完成全球首台超导电路量子热机完整循环实验验证，相关研究论文在线发表于《自然·通讯》。该成果首次在超导量子芯片上复刻经典奥托热力循环，实现量子尺度热能向有效功稳定转化，打通量子热力学理论与超导量子硬件之间的实验壁垒。
　　过去十年，学界仅在离子阱、核磁共振体系实现简易量子热机原型，但始终无法适配超导量子计算主流硬件平台。研究团队依托纳米超导加工与极低温测控技术，搭建整套片上量子热力系统，核心为传输子量子比特，配套单结量子电路制冷器，整机封装于低温恒温器内，运行温度逼近绝对零度区间。
　　与常规热机分离设置高温、低温双热源不同，本次装置采用单一可调量子制冷器，依靠纳秒级时序微波控制脉冲，交替完成对量子比特加热、制冷调控，完整复刻汽车内燃机同款奥托四步循环。实验全程单比特单次循环平均输出功率0.039电子伏特每秒，循环效率达到理想奥托极限的27%，多次重复循环稳定测得正向输出功，数值与开放量子系统仿真结果高度吻合，证实系统具备标准热机工作特征。
　　这套系统的核心创新点在于片上一体化温控架构。量子制冷器可在100纳秒内将量子比特温度在110毫开至500毫开区间快速切换，无需外接多路微波馈线分别提供冷热源，大幅简化极低温量子电路布线复杂度。过往百万比特级超导量子计算方案，需布设海量室温微波线缆读取量子态，极易引入噪声、推高硬件成本。该超导量子热机可在低温腔内部自主完成量子态调控与能量提取，有望省去大量外部控制线路，解决大规模量子比特扩展的核心工程难题。
　　研究团队表示，现阶段样机功率与效率仍存在提升空间，下一步将优化超导电路耦合结构，缩小与理想热力极限的差距，同步推进多比特并联量子热机组网实验。该设备不仅是量子热力学首个标准化超导实验样机，更为下一代容错、百万比特级通用超导量子计算机开辟全新硬件设计思路。

（记者 彪轶辰）