量子電路製冷器：讓量子計算更加可靠！

導讀

最近，芬蘭阿爾託大學科學家團隊開發出一種量子電路製冷器，能夠減少量子計算的錯誤，使之更加準確可靠。

關鍵字

量子位、量子計算機、冷卻

背景

全球範圍內，功能性量子計算機方面的研究和競賽正在如火如荼地開展。John 之前也介紹過量子計算機方面的一些技術前沿技術進展，例如：

• 《通用量子計算機領域的重要進展：「小型化量子位」技術》

• 《IBM量子計算平台和雲端量子處理器》

• 《快十萬倍！飛秒激光脈衝技術將帶來超高速量子計算機》

5月3日，世界上首台超越早期經典計算機的光量子計算機，於上海亮相，首次成功實現十個超導量子位的糾纏，中國科學家再次站到了量子計算這一創新領域的最前沿！

未來，量子計算機能夠完成以前的傳統計算機無法完成的任務，在超級計算、信息處理、感知和建模、人工智慧等方面，都會大顯身手。

創新

（圖片來源於：Mikko Raskinen/芬蘭阿爾託大學）

然而，今天John要介紹的這項創新成果，和量子計算機的溫度相關，更準確一點說是和冷卻有關。它是在一種納米級的製冷器，利用電壓可控的電子隧道效應，對於超導諧振器進行直接冷卻。

這項研究由芬蘭阿爾託大學量子物理學家 Mikko M?tt?nen 領導團隊開發，研究成果發表於《自然通信》雜誌上。

冷卻，可以減少量子計算機的運算錯誤。這項技術對於量子計算機來說，是一個新的轉折點。

技術

首先，量子計算機和普通計算機的一個十分重要的區別就是：量子位。

對於普通的二進位計算機來說，存儲信息用的是比特位（用0和1）。而對於量子計算機來說，用的是量子位（qubit），它用於表示量子信息。簡單說，量子位是一個雙態量子系統（如光子的偏振態、或電子的自旋態等等），而量子位的個數，也就是雙態量子系統的個數。

但是，非常重要的關鍵點就是，一個量子位可能同時處於「既是0和又是1」的狀態。量子比特的多功能性，有利於進行複雜計算，同時也使得它們對於外部擾動敏感。所以，在以前的一篇文章中《科學家使用反饋控制技術來穩定量子比特》，也將到了如何穩定量子位。

和計算機、處理器、智能手機等電子產品一樣，熱量也會對於量子計算機造成影響，所以冷卻機制十分重要。

未來，我們將看到成千上萬的量子位，會同時進行計算，而且有可能更多。所以，為了保證獲取到正確結果，在計算開始時，必須對於每個量子比特進行複位。如果量子比特過熱，它們就會無法進行初始化，因為它們在不同狀態之間的切換會太頻繁。

所以，M?tt?nen的研究小組針對這個問題，探索出了一種創新方案，他們採用了我們很容易想到的冷卻措施：製冷器。但是，這並不是普通意義上像冰箱一樣的製冷器，而是在量子電路中使用的製冷器。

下面這張圖展示了：這個厘米級的硅晶元，具有兩個並行的超導體振蕩器，量子電路的製冷器和它有連接。

（圖片來源於：Kuan Yen Tan/芬蘭阿爾託大學）

研究人員通過讓單獨的電子穿過兩納米厚的絕緣體，對於如同量子位的超導諧振器進行了冷卻。單獨的電子能夠從外部電壓源獲取的能量，相對較少，無法滿足直接隧道效應的需求。這樣，電子就會從附近的量子設備獲取能量，使得這些設備損耗能量，並且冷卻下來。同時，通過調整外部電壓，可實現對於冷卻的開關切換。

（圖片來源於：參考資料【2】）

價值

這種納米級的製冷器，使得大多數的電氣量子設備可以迅速初始化，變得更加強大和可靠。它還有望在未來的超導量子計算機中，更加快速且準確的重置量子內存。

下一步，研究小組除了研究冷卻諧振器外，還將會冷卻實際的量子比特，另外還想利用製冷器進一步降低能夠達到的最低溫度，並且實現超快速的開關切換。

參考資料

【1】http://www.aalto.fi/en/current/news/2017-04-11-006/

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms15189

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