科技日报记者 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。
