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」，可高效重設量子位元，並利用「冰箱」元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】雜誌上，為下一步研制可靠的量子電腦鋪平道路。
基於超導電路的新型「量子冰箱」由兩個量子位元組成，一個熱量子位元（右上）和一個冷量子位元（中間），它們共同冷卻目純量子位元（左下）。圖片來源：瑞典查爾姆斯理工大學/NIST
量子電腦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位元在執行計算時沒有錯誤。這些量子位元極易受到熱量和放射線的影響，導致它們狀態被破壞。比如，輕微的幹擾就能讓一個數位從1變成7。
為了「擦除」或重設超導量子位元，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，最佳的重設方式可以達到40—49毫克耳文（mK）的溫度。此次研究團隊實作了更佳成績：將量子位元冷卻至22mK，顯著減少了初始錯誤，為後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，將熱量從量子位元中吸走，以實作冷卻效果。不同於家用冰箱使用的電力能源，「量子冰箱」是依靠電腦其他部份的熱量來驅動冷卻過程。
具體來說，這個「量子冰箱」由兩個額外的量子位元構成。其中一個量子位元連線到量子電腦較溫暖的部份，充當能量供應的角色；另一個則作為散熱器，吸收來自計算量子位元的多余熱量。當計算量子位元變得過熱時，第一個量子位元會主動地將熱量轉移給散熱器，從而幫助計算量子位元回到接近其基態的位置，並清除之前的數據。
整個過程是自動化的，幾乎不需要外部幹預或額外資源來維護計算量子位元的功能。這種方法不但減少初期錯誤的發生機率，還降低了整體計算過程中錯誤糾正的需求。
總編輯圈點
將量子位元重設到正確狀態的一種方法是冷卻量子位元，接近絕對零度，「擦除」瑕疵。「量子冰箱」的工作原理令人叫絕：用量子電腦其他部份的熱量作為能源，用兩個輔助量子位元，「泵出」計算量子位元中的熱量，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」或將大幅提升量子電腦的效能，為復雜分子模擬等量子計算計畫走向實用打下基礎。
