量子热泵：一种新型物理学测量工具

图1 装置图示。该装置由两个超导电路组成：蓝色的冷高频电路和红色的热低频电路。红色电路中的电流产生一个振荡磁场，产生光子-压力耦合。通过向蓝色高频电路发送一个强信号，高频电路被转换成一个放大器，从而能实现以更高的灵敏度探测流过红色高频电路的射频光子

代尔夫特理工大学、苏黎世联邦理工学院和图宾根大学的物理学家们用光粒子建造了一个量子尺度的热泵，这一装置的研发使科学家们更接近测量无线电频率信号的量子极限，有望用于暗物质探测中。此项研究成果以开放获取的方式发表于8月26日的Science Advances上。

将两个不同温度的物体放在一起，热量通常从高温物体到低温物体单一流动：比如把一瓶温热的白葡萄酒放入冷藏箱，热量从葡萄酒流向冷藏箱，经过足够长的时间后，二者最终会达到相同温度。这个过程在物理学中被称为达到平衡态，即来自某一方向热流和来自另一方向的热流之间的平衡。

通过做功能够打破这种平衡，热量将不再以高温到低温的方向流动。这也是冰箱保持食物低温的原理；同理，高效的热泵能够从室外冷空气中吸取热量，为房子供暖。在此次发表的论文中，Gary Steele及其共同作者们实现了热泵的量子模拟，实现了光的基本量子粒子——光子，从热物体到冷物体的逆向流动。

暗物质信号

在此前的一项研究中，研究人员已经将这一装置用作冷水浴来储存热的射频光子，如今研究人员成功将这一装置同时变为一个放大器。有了内置放大器，该设备对射频信号更敏感，就像超导量子处理器产生放大的微波信号一样。

“这一结果非常振奋人心，我们距离实现测量其他工具很难测到的无线电频率信号量子极限更进一步。这一新的测量工具有许多潜在应用，其中之一是寻找暗物质。” Steele 说。

量子热泵

这一装置被称为光子压力电路，由装在硅片上的超导电感器和电容制成，冷却至比绝对零度高几毫度的温度。尽管这一温度已经足够“冷”，但对于电路中的某些光子来说仍然非常“热”，足以使它们被热能激发。利用光子压力，研究人员可以将这些被激发的光子与频率更高的冷光子耦合，此前的实验已证实这一操作能够将热光子冷却至量子基态。

在新的研究中，作者加入了一个新的设计：通过向冷回路发送一个额外的信号，创造出了一个放大冷光子并将其加热的发动机。与此同时，额外的信号优先向一个方向“泵”光子。通过向一个方向施加比另一个方向更大的压力，研究人员能够将电路中一部分的光子冷却到比另一部分更低的温度，从而在超导电路中创造出量子版的光子热泵。