量子热力学从理论走向实验的关键一步世界首台超导量子热机研制成功

量子热力学作为量子物理与热力学的交叉学科，长期停留在理论探索层面。近日，中国科学院物理研究所与北京量子信息科学研究院联合团队宣布，成功研制出世界首台超导量子热机，标志着人类在量子热力学领域迈出了从理论到实验的关键一步。这项突破性成果于6月15日发表在国际顶级学术期刊《自然·物理》上。

突破核心：在量子世界中实现热能转化

所谓热机，是指能够将热能转化为机械能的装置。传统热机的工作原理依赖于工质在高温热源和低温热源之间循环工作，利用温度差实现能量转换。然而，当系统尺寸缩小到量子尺度时，量子叠加、量子纠缠等效应开始主导，经典热力学定律的适用性受到挑战。

研究团队基于超导量子电路构建了这款新型热机。超导量子比特被用作工质，通过精确操控量子态的演化，实现了从高温量子热源吸收热量、向低温热源释放热量的循环过程，并最终输出机械功。实验表明，当工作物质能级差在量子干涉效应下被放大时，这台量子热机的输出功率可提升数倍。

量子热机概念最早由理论物理学家在1959年提出，但长期以来仅存在于理论模型与数学推导中。要实现真正的量子热机，必须攻克量子态精确制备、演化控制与环境退相干等关键技术难题。

中科院物理所研究员张磊表示：“本研究的核心突破，在于将量子热力学的基本方程——量子刘维尔方程——与超导量子线路的控制精度相结合，首次在实验上实现了量子热机循环。”

实验中，研究团队成功测量了量子热机的输出功率、效率以及噪声谱，并与理论模型进行了精确对比。结果显示，量子热机的效率达到了理论值的98%以上，这一优异表现得益于超导量子比特的高保真度操控技术。

这一突破不仅仅停留于基础研究层面。量子热机的研究成果有望推动量子计算的实用化进程。

“量子比特的冷却与热管理是量子计算面临的核心挑战之一，而量子热机恰好提供了一种全新的解决方案。”北京量子信息科学研究院副院长李伟指出，“基于量子热机原理开发的量子冷却装置，或能显著降低量子芯片的工作温度，提高量子比特的相干时间。”

此外，量子热机未来还可能发展为微型量子电源。在量子集成电路中，量子热机可将微小的温度梯度转化为电能，为纳米级量子器件提供自驱动能源。

量子热力学被国际物理学界列为“量子物理的七大待解难题”之一。世界首台超导量子热机的实验实现，不仅为量子热力学理论提供了实验验证平台，也为探究量子系统中能量、熵与信息的转化规律开辟了新途径。

“这一成果使得量子热力学领域有了质的飞跃。”中科院院士潘建伟评价道，“可以预见，未来十年内，量子热机及相关技术将发展成为量子科技的重要分支。”

目前，研究团队正计划将这一成果应用于量子制冷和量子传感领域。随着超导量子处理器规模的扩大和操控精度的提高，量子热机有望为人类认识、利用和管理量子世界的力量提供全新工具。