“量子冰箱”可高效重置量子比特

2025-01-14 09:48 来源:科技日报
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“量子冰箱”可高效重置量子比特

2025年01月14日 09:48   来源:科技日报   

  科技日报北京1月13日电(记者张梦然)美国国家标准与技术研究院(NIST)与瑞典查尔姆斯理工大学合作,开发出一种新型“量子冰箱”,可高效重置量子比特,并利用“冰箱”组件间的热流作为动力源,保持低温工作环境。该成果发表在最新一期《自然·物理学》杂志上,为下一步研制可靠的量子计算机铺平道路。

  量子计算机的设计者面临着一项艰巨的任务:确保超导量子处理器中的量子比特在执行计算时没有错误。这些量子比特极易受到热量和辐射的影响,导致它们状态被破坏。比如,轻微的干扰就能让一个数字从1变成7。

  为了“擦除”或重置超导量子比特,即把它们恢复到最低能量状态,通常需要将它们冷却至接近绝对零度。传统上,最佳的重置方式可以达到40—49毫开尔文(mK)的温度。此次研究团队实现了更佳成绩:将量子比特冷却至22mK,显著减少了初始错误,为后续的计算过程节省了大量纠错工作量。

  团队使用了一种称为“量子制冷”的技术。该技术借鉴普通冰箱的工作原理,将热量从量子比特中吸走,以实现冷却效果。不同于家用冰箱使用的电力能源,“量子冰箱”是依靠计算机其他部分的热量来驱动冷却过程。

  具体来说,这个“量子冰箱”由两个额外的量子比特构成。其中一个量子比特连接到量子计算机较温暖的部分,充当能量供应的角色;另一个则作为散热器,吸收来自计算量子比特的多余热量。当计算量子比特变得过热时,第一个量子比特会主动地将热量转移给散热器,从而帮助计算量子比特回到接近其基态的位置,并清除之前的数据。

  整个过程是自动化的,几乎不需要外部干预或额外资源来维护计算量子比特的功能。这种方法不但减少初期错误的发生几率,还降低了整体计算过程中错误纠正的需求。

  【总编辑圈点】

  将量子比特重置到正确状态的一种方法是冷却量子比特,接近绝对零度,“擦除”瑕疵。“量子冰箱”的工作原理令人叫绝:用量子计算机其他部分的热量作为能源,用两个辅助量子比特,“泵出”计算量子比特中的热量,从而保持计算环境接近绝对零度。在量子计算精度提高的同时,这一方法还开辟了一条利用热量为量子系统作贡献的新路径。“量子冰箱”或将大幅提升量子计算机的性能,为复杂分子模拟等量子计算项目走向实用打下基础。


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