散热|芬兰高校研究出“量子电路冰箱”,有望提高量子器件的可靠性

量子物理学家Mikko Mottonen和他在芬兰阿尔托大学的团队发明了一种可以减少量子计算误差的“量子电路冰箱”，可以消除量子计算中的错误，该研究成果近日发表在科学杂志《自然·通信》，这是量子计算机发展的一个新转折。

图 厘米大小的硅芯片照片，片上有两个并联的超导振荡器和与之相连的量子电路冰箱

使用量子计算机将能够解决开发复杂药物、化肥、人工智能等过程中遇到的各种问题，全球在量子计算机领域的竞争已愈发激烈。

与我们今天使用的计算机的不同之处在于，量子计算机采用量子位替代普通的二进制位（非0即1），而是两个状态的量子位可以同时存在。量子位的这种多功能性是复杂计算所必需的，但也使得它们对外部扰动更加敏感。

与普通处理器一样，量子计算机也需要冷却机制。量子计算过程中可能同时运用上千或上百万个逻辑量子位，而为了获取正确的计算结果，每个量子位需在计算开始之前进行复位。如果量子位太热，则其在不同状态之间转换会过于频繁，而无法初始化。Mottonen及其团队正是要解决这一问题。

基于金属-绝缘体-超导体（NIS）隧道结的电子微型冷却器即使在宏观尺寸下也能很好的冷却电子系统，甚至能够达到声子浴的温度。由于NIS冷却方法的偏置电压和输入功率可调谐，所以这些隧道结非常有利于制造“量子冰箱”。单电荷遂穿已证明能够在量子级联激光器、人造原子激光器等应用中发射和吸收能量，但却没有用于直接冷却工程量子电路。

该团队研发的纳米级冰箱解决了巨大挑战：有了纳米级冰箱的助力，大多数电子量子器件能够快速初始化。电子量子器件也就更强大、更可靠。

团队研究人员Kuan Yen Tan利用单个电子穿越一个2nm厚的绝缘体实现对一个类似量子位超导谐振器的冷却。试验中，Tan通过外部电压源给电子供能，能量略低于电子直接遂穿所需的能量。因此，电子将从邻近量子器件获取遂穿所需的能量，量子器件也就失去能量，实现冷却。断开外部电压即可停止冷却。

团队计划冷却真正的量子位，降低“冰箱”的最低温度，并实现超快的开/关速度。

Tan, K. Y. et al. Quantum-circuit refrigerator. Nat. Commun. 8, 15189 doi: 10.1038/ncomms15189 (2017).