科技日報記者 張夢然
美國國家標準與技術研究院（NIST）與瑞典查爾姆斯理工大學合作，開發出一種新型“量子冰箱”，可高效重置量子比特，并利用“冰箱”組件間的熱流作為動力源，保持低溫工作環境。該成果發表在最新一期《自然·物理學》雜志上，為下一步研制可靠的量子計算機鋪平道路。
量子計算機的設計者面臨著一項艱巨的任務：確保超導量子處理器中的量子比特在執行計算時沒有錯誤。這些量子比特極易受到熱量和輻射的影響，導致它們狀態被破壞。比如，輕微的干擾就能讓一個數字從1變成7。
為了“擦除”或重置超導量子比特，即把它們恢復到最低能量狀態，通常需要將它們冷卻至接近絕對零度。傳統上，最佳的重置方式可以達到40—49毫開爾文（mK）的溫度。此次研究團隊實現了更佳成績：將量子比特冷卻至22mK，顯著減少了初始錯誤，為后續的計算過程節省了大量糾錯工作量。
團隊使用了一種稱為“量子制冷”的技術。該技術借鑒普通冰箱的工作原理，將熱量從量子比特中吸走，以實現冷卻效果。不同于家用冰箱使用的電力能源，“量子冰箱”是依靠計算機其他部分的熱量來驅動冷卻過程。
具體來說，這個“量子冰箱”由兩個額外的量子比特構成。其中一個量子比特連接到量子計算機較溫暖的部分，充當能量供應的角色；另一個則作為散熱器，吸收來自計算量子比特的多余熱量。當計算量子比特變得過熱時，第一個量子比特會主動地將熱量轉移給散熱器，從而幫助計算量子比特回到接近其基態的位置，并清除之前的數據。
整個過程是自動化的，幾乎不需要外部干預或額外資源來維護計算量子比特的功能。這種方法不但減少初期錯誤的發生幾率，還降低了整體計算過程中錯誤糾正的需求。
總編輯圈點：
將量子比特重置到正確狀態的一種方法是冷卻量子比特，接近絕對零度，“擦除”瑕疵。“量子冰箱”的工作原理令人叫絕：用量子計算機其他部分的熱量作為能源，用兩個輔助量子比特，“泵出”計算量子比特中的熱量，從而保持計算環境接近絕對零度。在量子計算精度提高的同時，這一方法還開辟了一條利用熱量為量子系統作貢獻的新路徑。“量子冰箱”或將大幅提升量子計算機的性能，為復雜分子模擬等量子計算項目走向實用打下基礎。
