新型“量子冰箱”是擦干凈量子計算機黑板的絕佳工具

要想在干凈整潔的傳統黑板上做數學題，最好先把它擦干凈，抹除之前的所有記號，這樣才有足夠的空間演算。量子計算機同樣需要這樣的干凈工作空間?，F在，包括美國國家標準與技術研究所（NIST）科學家在內的一支科研團隊已經找到了能夠創造并維持這樣一種空間的創新、有效方式。

參與這項研究的還有瑞典查爾姆斯理工大學的物理學家，他們的成果解決了量子計算機設計者面臨的一大主要問題：必須時刻保證超導量子處理器中的比特沒有錯誤，隨時準備在有需要時執行計算。這些所謂的“量子比特”對熱和輻射極為敏感，稍有偏差就會破壞整個量子計算過程，就像傳統黑板上沒有擦干凈的某些記號會讓數字1看起來像7一樣。

具體來說，在執行完計算后擦除這些量子比特需要將其冷卻至僅高于絕對零度千分之幾度的溫度，并且始終保持它處于這個溫度。相比擦干凈量子比特黑板的其他先進方法，這支科研團隊的成果能讓量子比特達到更低的溫度，不僅在結果上更加有效，而且方式上也取得了創新——利用在冰箱兩個部分之間流動的熱量（這樣才能保持量子計算機處于低溫狀態）給“黑板擦”供能。事實證明，這種方法在其他領域也相當有用。

馬里蘭大學量子信息和計算機科學聯合中心（QuICS）、NIST物理學家尼克 · 哈爾彭（Nicole Yunger Halpern）領導的團隊稱：“這項技術對量子計算機的發展很有幫助，可以解決量子計算機設計上的一大問題。另外，實驗已經證明，我們可以從量子冰箱的某個部分汲取熱量，并且將其轉化為功。這點得到實驗驗證之后，我們的量子計算機研發路徑就大大拓寬了，之后可能出現各種我們目前都還沒有想到的新技術?！?/p>

這一技術方法的原理性驗證過程發表在2025年1月的《自然-物理》（Nature Physics ）雜志上。

雖然量子計算機還遠未成熟，但仍然是研究的熱土，因為有潛力執行那些傳統計算機無法輕松完成的任務，比如模擬在藥物設計中扮演著重要角色的復雜分子結構。我們之所以認為量子計算機擁有這樣的能力，是因為量子比特和傳統計算機的比特存在差異：傳統計算機的比特只能以0或1的狀態存在，而量子比特可以同時以這兩種狀態存在，所以量子計算機理論上可以一次篩選大量潛在的解決方案。

用超導電路制造量子比特是一個很有前途的方法，也正是NIST和QuICS在這項研究中使用的方法。超導量子比特有很多優點，其中之一就是可調性：實驗物理學家可以隨心所欲地改變量子比特的特性。不過，量子比特可能會以極快的速度衍生出可以毀掉整個計算過程的錯誤——即便是超導量子比特也不例外。

擦除超導量子比特意味著將其重置到最低能量狀態——事實證明，這很棘手。一種重置量子比特的有效方式是盡可能冷卻，冷卻到幾十毫開爾文（也就是比絕對零度僅僅高出千分之幾度）。之前，最好的重置方法能將量子比特冷卻到40～49毫開爾文。查爾姆斯理工大學的量子物理學家、這篇論文的共同作者阿米爾 · 阿里（Aamir Ali）說，雖然這個數字聽上去不錯，但其實還不夠好。NIST和QuICS的這項實驗就是在首席研究員西蒙尼 · 加斯帕里內蒂（Simone Gasparinetti）的監督指導下于查爾姆斯理工大學完成的。

阿里還說：“在量子計算機中，起始階段的錯誤會隨著計算過程的推進累積起來。因此，越是能在計算初始階段剔除錯誤，后續就越能節省越多精力?！?/p>

NIST和QuICS合作團隊的方法可以把量子比特冷卻至22毫開爾文。這個改進可以把“量子黑板”擦得更干凈，進而降低起始階段的錯誤導致后續問題的可能性。

哈爾彭說：“要是不能把量子比特冷卻到那么低的溫度，就不可能把量子黑板擦得這么干凈?！?/p>

這個團隊之所以能夠實現這個成果，是因為使用了一種名為“量子制冷”的技術，此前，這項技術從未應用到真實的機器中。這種量子制冷技術借助某種能量從冰箱的內部汲取熱量，并冷卻目標。在家用傳統冰箱中，能量來源是電，但量子冰箱會利用量子計算機其他任何位置產生的熱量。

NIST和QuICS團隊的量子冰箱額外用到兩個量子比特。第一個與量子計算機溫度更高的部分相連，充當能量供應源。第二個量子比特就相當于熱量洼地，可以吸納計算過程中量子比特不需要的超量熱量。在真實的量子計算機中，如果用于計算的量子比特——做計算的黑板——溫度過高，量子冰箱的第一個量子比特會將執行計算的量子比特不需要的超量熱量抽送到第二個量子比特（熱量洼地），這樣就帶走了熱量，將執行計算的量子比特重置到基態附近，完成“擦黑板”的任務。

整個過程自主運行，對外部控制和額外資源的需求（用來維持執行計算的量子比特的計算能力）都降到了最低。

阿里說：“我們認為，這個方法為后續更為可靠的量子計算鋪平了道路。就目前來說，管控量子計算機中的錯誤還很難。要是每次都能讓量子比特從更接近基態的狀態開始執行計算，后續需要修正的錯誤就會變少，相當于防患于未然了?！?/p>

資料來源"NIST