量子热电路：用于量子热晶体管的二极管框架

具有三个端子的量子热晶体管的一般表示。每个端子都连接到一个热浴 BQ温度 TQ。在适当的温度下，热流JQ对于Q∈{L，M，R} 将复制电子晶体管中的电流，从而导致热放大。图片来源：APL Quantum（2025）。DOI：10.1063/5.0270456

晶体管是当今电子革命的基础构件，为从智能手机到强大服务器的各类设备提供动力，通过控制电流的流动。但想象一下一个平行世界，在这个世界中，我们可以将相同程度的控制和复杂性应用到热能上，而不是电力。

这正是量子热晶体管所探索的前沿领域，这种设备旨在在量子尺度上复制电子晶体管的功能，但针对的是热能。

量子热力学这一迅速发展的领域已经取得了令人印象深刻的进展，探索了当量子力学效应占主导时热量和能量的行为。量子热二极管（能够将热流定向到特定方向）和量子热晶体管（类似于电子晶体管放大电信号一样放大热流）是这一进展中开创性的例子。

这些设备有望在纳米尺度上实现热管理的革命性进步，这对于开发下一代量子和纳米技术至关重要。

尽管取得了这些进展，但量子热晶体管一直缺乏一个类似于电子领域广泛使用的Ebers-Moll模型的全面且实用的模型，该模型将复杂的晶体管行为简化为易于理解、便于管理的形式。这些模型在电子晶体管的快速发展和广泛采用中发挥了关键作用，成为工程师和设计人员的基本工具。

澳大利亚莫纳什大学先进计算与模拟实验室（AχL）的研究团队填补了这一关键空白，开发了一种新型的量子热晶体管等效模型。

这一创新模型最近发表在《APL Quantum》上，利用了与Ebers-Moll电子晶体管模型独特的量子类比。

从Ebers-Moll模型到量子热晶体管

我们专注于一种量子热晶体管，它由两个量子双能级系统（量子比特）与一个三能级系统（量子三能级）相互作用，共同模拟传统电子晶体管的行为，但使用热能而非电流。

研究表明，这种量子热晶体管的行为可以通过一个简化但功能强大的等效模型有效地捕捉和解释，该模型由两个量子热二极管以类似于经典Ebers-Moll模型的配置连接而成。

这不仅使量子热晶体管技术更易于理解和使用，还为优化其操作提供了关键见解，例如确定实现最大热放大的理想耦合强度。

这一发展标志着向前迈出的重要一步，建立了一个与电子晶体管模型在经典领域取得的成功相平行的基础框架。通过使量子热电路的可视化、模拟和设计更加清晰，这一模型为热电子技术的变革性进步打开了大门，其应用领域包括热管理。

最终，将电子原理转化为量子尺度上的热对应物，代表了技术创新的前沿，承诺开启一个新时代，届时热能将像电子学中的电流一样得到精确管理，塑造可持续、高效和强大的量子技术的未来。