一条来自赫尔辛基的消息,乍一看平平无奇,细一品,有点意思。
新华社 7 月 20 日电,芬兰阿尔托大学的研究人员,捣鼓出了一种基于超导电路的循环量子热机,还拿实验证明了,在量子尺度上,微弱得几乎不存在的一点热量,也能榨出可测量的能量来。
成果发表在英国《自然-通讯》杂志上。
热机这个东西,大家其实都熟。
蒸汽机是热机,汽车发动机是热机,火电厂里轰隆隆转的汽轮机也是热机。说穿了,就是把热能变成能干活的能量。
瓦特当年看着烧水壶盖被顶起来,琢磨出了改变世界的玩意儿。
可这一回,科学家们把热机做到了几毫米大小,还塞进了接近绝对零度的世界里。
绝对零度是什么概念?
零下 273.15 摄氏度。在那种地方,原子都冻得懒得动了,热量这东西,几乎是个奢侈品。
偏偏就在这种地方,芬兰人硬是从量子系统损失的那么一丁点热能里,挤出了可用的能量。
怎么做到的?
这台量子热机由超导量子比特、谐振器和量子制冷设备组成,原理说起来也不玄乎,把冷却到接近绝对零度的量子系统损失掉的少量热能,转化成可用能量。
实验结果显示,在接近绝对零度的环境里,量子系统中的微弱热量,确实变成了可测量的能量输出。
研究人员说,这是循环量子热机首次在超导电路中得到实验演示。
首次。请注意这两个字。
好,问题来了。费这么大劲,从冰窟窿里抠那么一点点能量,图啥?
表面上看,这活儿有点像在冰箱里捡钢镚,捡半天不够买根冰棍的。可真正的门道,藏在量子计算机的痛点里。
现在的超导量子计算机,芯片必须在极低温环境下运行,可芯片产生的信号,通常得送到室温设备里去处理。
一个在天寒地冻的地下室,一个在春暖花开的地面,中间全靠线路连接。
量子比特数量少的时候,这都不是事。
可量子比特一多,麻烦就来了。连接芯片和外部设备的线路会越来越多,成本和复杂程度蹭蹭往上涨,还可能拖累系统的稳定运行。
就像一个小山村本来只有一部电话,扯根线就完了。后来全村人都装了电话,电线杆子密密麻麻跟蜘蛛网似的,刮风下雨就出问题。
阿尔托大学研究团队的下一步计划,正是冲着这个痛点去的。
他们打算研制可自主运行的量子热机,让量子比特的部分信号读取工作,不用升到室温就能在低温环境里完成,从而减少量子计算机对外部线路和室温设备的依赖。
翻译一下,就是让信号在地下室里就地处理,别老往楼上跑了。
线路少了,成本降了,结构简化了,大型量子计算机的门槛,也就跟着矮了一截。
这项成果还有另一层价值,更偏基础科学。它有助于研究热力学定律在量子尺度下如何发挥作用,深化人类对热量和能量转换关系的认识。
热力学定律,那是 19 世纪给蒸汽机总结的规矩。那些规矩在宏观世界里铁面无私,可到了量子尺度,微观粒子个个身怀绝技,穿墙、叠加、纠缠,老规矩还管不管用?怎么管用?科学界吵了很多年。
现在,一台几毫米的小机器,给出了一个实验层面的回答。
最后,怎么看?
第一,基础科学的突破,往往长着一张"没用"的脸。
从接近绝对零度的世界里回收一点点热量,听着确实不如登月探火来得热血。可电学刚被发现的时候,贵妇人也问过法拉第,这玩意儿有什么用?法拉第回了一句,初生的婴儿有什么用?
后来的故事大家都知道了,整个人类文明被送进了电气时代。今天这台几毫米的小热机,就是那个婴儿。
第二,量子计算的竞赛,比的从来不只是量子比特的数量。
这些年大家盯着的都是谁家比特多、谁家纠缠稳,可真正决定量子计算机能不能走出实验室的,恰恰是线路、制冷、信号读取这些不起眼的工程细节。
万丈高楼,最后卡脖子的往往是一颗螺丝。
芬兰人这台小热机,拧的就是其中一颗。
第三,小国的科研智慧,值得琢磨。
芬兰,人口 500 多万,还没有北京朝阳区人多,却总能拿出让世界眼前一亮的成果。诺基亚虽然倒了,阿尔托大学还立着。
不追热点,不炒概念,蹲在极低温实验室里跟量子较劲,一蹲就是好多年。
科学的风景,常常开在无人喝彩的地方。
唉,人类一边在中东炸桥梁炸水厂,一边在赫尔辛基的实验室里,为一粒量子的热量较劲。
同一个物种,两种活法。
愿那台几毫米的小机器,跑得比导弹快。
