探索量子计算的热力学

热量和计算机不能很好地结合。如果计算机过热，它们将无法正常工作甚至崩溃。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位——量子比特或“量子比特”——是基于高度敏感的单位，其中一些是单个原子，而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，必须破坏其量子态。过程中释放的热量会干扰敏感的量子系统。物理学家WolfgangBelzig(康斯坦茨大学)、ClemensWinkelmann(内尔研究所，格勒诺布尔)和JukkaPekola(阿尔托大学，赫尔辛基)怀疑量子计算机自身的发热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，可以在整个读取一个量子位的过程中测量和显示精确到百万分之一秒的温度曲线。“这意味着我们正在监控过程，”WolfgangBelzig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上：许多研究主要涉及量子比特的耦合以及确定哪些材料系统最适合量子比特。很少考虑热量的产生：特别是在使用理想的导电材料构建超导量子比特的情况下，研究人员经常假设没有热量产生或热量可以忽略不计。

“这根本不是真的，”WolfgangBelzig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。

量子比特的温度计

该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。

“我们根据此类触点的电导率测量电子温度。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是基于使用电阻器测量电导率的。唯一的问题是：你能多快进行测量?”ClemensWinkelmann解释道。量子态的变化只需要百万分之一秒。

“我们的技巧是让电阻器测量谐振器内部的温度——一个振荡电路——在特定频率下产生强烈的响应。这个谐振器以600兆赫兹的频率振荡，可以很快读出，”Winkelmann解释道。

总是产生热量

凭借他们的实验证据，研究人员希望引起人们对量子系统热力学过程的关注。“我们向量子计算世界传达的信息是：小心，注意热量的产生。我们甚至可以测量确切的数量，”Winkelmann补充道。

这种热量的产生可能与扩大量子系统特别相关。WolfgangBelzig解释说：“超导量子位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，如果您想将许多量子位放在一个芯片。开发人员需要考虑到结果会产生更多的热量，并且系统需要充分冷却。”