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稱之為小小的寒意。一群理論物理學家已經繪製出物理框架，用於構建可能是有史以來最小的冰箱。每個裝置都將針對一個量子位元（qubit）進行冷卻，並且只需要一到兩個額外的量子粒子來完成這項工作。
理論物理學家 Noah Linden 和 Sandu Popescu，以及英國布里斯托大學的研究生 Paul Skrzypczyk，在一篇論文中描述了他們的概念，該論文即將發表在 Physical Review Letters 上。如果這項工作能夠被實現，那麼它可能會在製備量子位元方面找到用途，量子位元通常是單個原子，透過將它們初始化到已知狀態，用於量子資訊系統。
在某種意義上，該模型僅僅是世界各地廚房中嗡嗡作響的冰箱的縮小版——它有一個引擎量子位元來驅動冷卻過程，以及一個熱線圈量子位元來將從冰箱內容物（要冷卻的量子位元）中吸走的熱量排放到外部世界。
就像日常電子裝置中的經典位元一樣，每個量子位元可以是 0 或 1，由單個量子位元的能級表示。（由於量子力學的基本特性，量子位元也可以處於疊加態，同時以 0 和 1 的狀態存在。）每個量子位元都需要一定的能量才能從 0 移動到 1，這被稱為其能級間距。（冰箱的一個更小的概念是將引擎和線圈壓縮成一個具有三個能級的單個粒子，稱為三能級量子位元。）
在布里斯托小組的理論描述中，關鍵的是，要冷卻的量子位元的能級間距和冰箱“引擎”的能級間距加起來正好等於冰箱“熱線圈”的能級間距。換句話說，激發（加熱）引擎和冰箱內容物所需的能量與單獨激發線圈所需的能量相同。由於這個條件，兩種狀態——激發的線圈或激發的引擎和內容物——可以輕鬆地交替，在所有條件相同的情況下，每種情況的可能性都相同。
但是如果所有條件都不相同呢？將每個量子位元置於其自身的熱浴中，每個熱浴處於不同的溫度，這會使系統失去平衡。“它們可以在兩者之間來回轉換，但是我們可以透過將它們置於不同的溫度來偏置轉換，”Popescu 說。將引擎量子位元置於高溫環境中會增加該量子位元處於激發態的機率，這反過來又使得整個系統更有可能達到引擎和內容物都被激發的狀態，而不是隻有線圈被激發的狀態。
起始條件的這種轉變意味著，當系統在等能量狀態之間轉換時，它更可能將冷藏量子位元從其激發態轉移到其基態（冷卻態），而不是反過來。同樣的轉換將熱線圈量子位元從其基態轉移到其激發態；實際上，系統將激發從冷藏量子位元轉移到線圈量子位元，線圈量子位元將能量耗散到其自身溫熱的熱浴中。
儘管該提議是用量子物理學的語言，即基態和激發態來表達的，但研究人員表示，用更經典的冷熱熱力學術語來思考結果是完全合適的。“更冷意味著能量更低，”Popescu 說；因為冰箱降低了冷藏量子位元的能量，所以量子位元的溫度也隨之降低。Linden 指出，“一旦冷卻量子位元的溫度低於其環境溫度，它就會從周圍環境中吸走熱量。”“我們如何知道這在正常意義上像冰箱一樣工作？冰箱確實從其冷浴中吸走了熱量，”他說。
只要引擎的熱浴保持比線圈的溫熱浴更熱，這個過程就會重複進行，將冷藏量子位元拉到更低的溫度。“關鍵在於，當您必須在這兩種能量狀態之間做出選擇時，您會將系統偏向其中一種狀態，這就是逐漸冷卻量子位元的原因，”Popescu 說。原則上，冰箱可以冷卻到任意接近絕對零度的溫度。
加州理工學院計算機科學教授 Leonard Schulman 說，其他人已經設計甚至建造了這種小型冷卻系統，但這項新工作的區別在於它是自包含的——量子位元不需要接收來自系統外部的指令。“所有外部環境需要維護的只是兩個不同溫度的合適熱浴，”Schulman 說，“它就會在那裡‘烹飪’，或者更確切地說，‘冷卻’，永無止境。”
兩位物理學家已經實驗性地實現了 一種使用外部射頻脈衝 來驅動冷卻過程的三量子位元冷卻器，他們表示這種新方法很有前景。滑鐵盧大學量子計算研究所 (IQC) 的博士後研究員 Osama Moussa 說：“這是一個很棒的理論想法。”“該系統有許多引數，如果您將它們設定得恰到好處，那麼系統就會自行演化。”
滑鐵盧大學物理學家、IQC 主任 Raymond Laflamme 補充說：“從技術上講，可能很難找到一個系統——或者設計一個系統——具有那些精確的引數，例如彼此完美平衡的能級間距，以及連線三個量子位元能級的相互作用。”“只有在非常非常罕見的系統中，您才能獲得這種三體相互作用。”但這並不是說實驗學家會被新的理論研究中提出的挑戰嚇倒。“一旦您知道某件事是可能的，那麼去尋找它就容易得多，”Laflamme 說。