科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與瑞典查爾姆斯理工大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)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(dòng)力源，保持低溫工作環(huán)境。該成果發(fā)表在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志上，為下一步研制可靠的量子計(jì)算機(jī)鋪平道路。

量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者面臨著一項(xiàng)艱巨的任務(wù)：確保超導(dǎo)量子處理器中的量子比特在執(zhí)行計(jì)算時(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤。這些量子比特極易受到熱量和輻射的影響，導(dǎo)致它們狀態(tài)被破壞。比如，輕微的干擾就能讓一個(gè)數(shù)字從1變成7。

為了“擦除”或重置超導(dǎo)量子比特，即把它們恢復(fù)到最低能量狀態(tài)，通常需要將它們冷卻至接近絕對(duì)零度。傳統(tǒng)上，最佳的重置方式可以達(dá)到40—49毫開(kāi)爾文（mK）的溫度。此次研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了更佳成績(jī)：將量子比特冷卻至22mK，顯著減少了初始錯(cuò)誤，為后續(xù)的計(jì)算過(guò)程節(jié)省了大量糾錯(cuò)工作量。

團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為“量子制冷”的技術(shù)。該技術(shù)借鑒普通冰箱的工作原理，將熱量從量子比特中吸走，以實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)其他部分的熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻過(guò)程。

具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)“量子冰箱”由兩個(gè)額外的量子比特構(gòu)成。其中一個(gè)量子比特連接到量子計(jì)算機(jī)較溫暖的部分，充當(dāng)能量供應(yīng)的角色；另一個(gè)則作為散熱器，吸收來(lái)自計(jì)算量子比特的多余熱量。當(dāng)計(jì)算量子比特變得過(guò)熱時(shí)，第一個(gè)量子比特會(huì)主動(dòng)地將熱量轉(zhuǎn)移給散熱器，從而幫助計(jì)算量子比特回到接近其基態(tài)的位置，并清除之前的數(shù)據(jù)。

整個(gè)過(guò)程是自動(dòng)化的，幾乎不需要外部干預(yù)或額外資源來(lái)維護(hù)計(jì)算量子比特的功能。這種方法不但減少初期錯(cuò)誤的發(fā)生幾率，還降低了整體計(jì)算過(guò)程中錯(cuò)誤糾正的需求。

總編輯圈點(diǎn)：

將量子比特重置到正確狀態(tài)的一種方法是冷卻量子比特，接近絕對(duì)零度，“擦除”瑕疵。“量子冰箱”的工作原理令人叫絕：用量子計(jì)算機(jī)其他部分的熱量作為能源，用兩個(gè)輔助量子比特，“泵出”計(jì)算量子比特中的熱量，從而保持計(jì)算環(huán)境接近絕對(duì)零度。在量子計(jì)算精度提高的同時(shí)，這一方法還開(kāi)辟了一條利用熱量為量子系統(tǒng)作貢獻(xiàn)的新路徑。“量子冰箱”或?qū)⒋蠓嵘孔佑?jì)算機(jī)的性能，為復(fù)雜分子模擬等量子計(jì)算項(xiàng)目走向?qū)嵱么蛳禄A(chǔ)。