创纪录!低温量子“冰箱”为可靠量子计算机铺平道路

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创纪录!低温量子“冰箱”为可靠量子计算机铺平道路

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量子计算机需要依靠极高的冷却性能才可以稳定运行。阻碍量子计算机普适化的挑战之一就是难以将量子比特冻结到接近绝对零度的温度。

2025年1月9日，瑞典查尔姆斯理工大学、NIST-马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心、马里兰大学帕克分校在《Nature Physics》上发布论文“Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit”（热驱动量子冰箱自主重置超导量子比特）。文章强调，尽管经典热机为工业和现代生活提供动力，但量子热机尚未证明其实用性。

实验展示了一种由超导电路形成的可用的量子吸收制冷机。研究人员将transmon量子比特冷却到低于任何一个可用浴所能达到的温度，从而将量子比特重置为适合量子计算的初始状态。该过程由热梯度驱动，是自主的，不需要外部反馈。制冷机利用目标量子比特和两个辅助量子比特之间的工程相互作用。每个辅助量子比特都耦合到一个物理热浴上，通过填充、合成准热辐射的微波波导实现。如果目标量子比特被完全激发，有效温度将达到约22 mK的稳态水平，低于现有最先进的重置协议所能达到的温度。研究结果表明，具有传播热场的超导电路可用于实验探索量子热力学并将其应用于量子信息处理任务。

查尔姆斯理工大学量子技术研究专家、论文第一作者Aamir Ali 表示，量子比特是量子计算机的组成部分，对环境高度敏感。即使是非常微弱的电磁干扰入侵到计算机中，也可能会随机翻转量子比特的值，从而阻碍量子计算。而论文中展示的方法，不仅比其他冷却量子比特的方法更有效（因为它能达到更低的温度），而且十分新颖——利用冰箱两部分之间的热量流动供电，使计算机始终保持低温。

目前，绝大多数的冷却系统（稀释制冷机），只能将量子比特的温度降低到绝对零度以上（约50毫开尔文）。但是，论文利用新方法得到了一个创纪录的结果——将量子比特在计算前处于基态的概率提高到99.97%，这比过往的研究成果只能达到的99.8%到99.92%的区间要好得多。

其实，绝大多数的量子计算机都是基于超导电路的，这种电路具有零电阻，因此可以很好地保存信息。极冷使量子比特进入其最低能量状态，即基态，相当于值0，这是启动计算的先决条件。到目前为止，较先进的重置方法已将量子比特的温度降到40-49 mK的范围。论文第一作者Aamir Ali表示，虽然这些数字听起来不错，但还不够好。在量子计算机中，初始错误会随着计算的进行而累积。

而新型量子冰箱使用两个量子比特作为组件，一个量子比特将连接到计算机较热的部分，用作能源供应。另一个量子比特将用作散热器，计算量子位不需要的额外热量可以流入其中。在实际的量子计算机中，如果计算量子比特变得太热，冰箱的第一个量子比特会将热量从计算量子比特泵入散热器，散热器会将热量带走，使计算量子位回到接近基态并清除痕迹。