探索量子计算的热力学

　　滞回约瑟夫森结中的相滑移，相滑机制的真实空间草图：在Φx（φ）关系的不稳定点，相位下降φ和屏蔽电流突然松弛到较小的值，作为垂直于约瑟夫森结（深灰色）的通量隧道量子，释放热量。b，SNS结上的相位压降φ与施加到SQUIPT的通量，根据公式（1），β=10。无法访问曲线的虚线部分。在量子相滑移（蓝色箭头）中，φ的变化略小于2π。c，SQUIPT的势能作为φ的函数。局部能量最小值可能会随着外部施加的通量的变化而变得不稳定。通过相位的宏观量子隧穿，达到较低的能量谷，释放能量ΔU。资料来源：自然物理学（2023年）。DOI：10.1038/s41567-022-01844-0

　　热量和计算机不能很好地混合。如果计算机过热，它们将无法正常工作，甚至可能崩溃。但是未来的量子计算机呢？这些高性能设备对热更加敏感。这是因为它们的基本计算单元-量子比特或“量子比特”-基于高度敏感的单元，其中一些是单个原子，热量可能是一个关键的干扰因素。

　　基本困境：为了检索量子比特的信息，必须销毁其量子态。在此过程中释放的热量会干扰敏感的量子系统。物理学家Wolfgang Belzig（康斯坦茨大学），Clemens Winkelmann（格勒诺布尔Néel研究所）和Jukka Pekola（赫尔辛基阿尔托大学）怀疑量子计算机自身的热量产生可能因此成为一个问题。

　　在实验中，研究人员现在已经记录了超导量子系统产生的热量。为此，他们开发了一种方法，可以在读取一个量子比特的整个过程中测量和显示温度曲线的精度为百万分之一秒。“这意味着我们正在监控该过程的发生，”Wolfgang Belzig说。该方法最近发表在《自然物理学》杂志上。

　　超导量子系统产生热量

　　到目前为止，对量子计算的研究一直集中在让这些高性能计算机工作的基础知识上：许多研究主要涉及量子比特的耦合和确定哪些材料系统最适合量子比特。很少考虑发热：特别是在使用所谓的理想导电材料构建的超导量子位的情况下，研究人员经常假设不会产生热量或热量可以忽略不计。

　　“这根本不是真的，”沃尔夫冈·贝尔齐格说。“人们通常认为量子计算机是理想化的系统。然而，即使是超导量子系统的电路也会产生热量。有多少热量，是研究人员现在可以精确测量的。

　　量子比特温度计

　　测量方法是为超导量子系统开发的。这些系统基于使用“约瑟夫森结”作为中央电子元件的超导电路。

　　“我们根据这些触点的电导率来测量电子温度。这本身并没有什么特别之处：许多电子温度计在某种程度上基于使用电阻器测量电导率。唯一的问题是：你能多快进行测量？克莱门斯·温克尔曼解释道。对量子态的改变只需要百万分之一秒。

　　“我们的诀窍是让电阻器测量谐振器（振荡电路）内部的温度，该谐振器在特定频率下产生强烈的响应。该谐振器以600兆赫兹振荡，可以非常快速地读取，“Winkelmann解释说。

　　总是产生热量

　　通过他们的实验证据，研究人员希望引起人们对量子系统的热力学过程的关注。“我们对量子计算世界的信息是：小心，注意发热。我们甚至可以测量确切的数量，“温克尔曼补充道。

　　这种热量的产生可能与扩大量子系统特别相关。Wolfgang Belzig解释说：“超导量子比特的最大优势之一是它们非常大，因为这种尺寸使它们易于构建和控制。另一方面，如果您想在芯片上放置许多量子位，这可能是一个缺点。开发人员需要考虑到因此会产生更多的热量，并且系统需要充分冷却。