量子计算机首次实现自动纠错

量子计算机芯片可以利用热量消除错误。

本报讯 一个微型冷却装置可以自动重置量子计算机的故障组件。这一成果意味着，操控热量可以使其他自主量子设备成为可能。相关论文1月9日发表于《自然-物理学》。

量子计算机还没有完全实现应用，因为它们会犯太多的错误。事实上，如果这类计算机的关键组件——量子比特意外升温且变得能量过大，它们甚至可能在计算开始之前就处于错误状态。将量子比特重置到正确状态的一种方法是让它们冷却下来。

在新研究中，瑞典查尔姆斯理工大学的Simone Gasparinetti和同事首次将这项任务交给了一台自主量子“冰箱”。

研究人员从微型超导电路中构建了两个量子比特和一个“三态粒子”，后者可以存储比量子比特更复杂的信息。这个三态粒子和其中一个量子比特形成了另一个目标量子比特的“冰箱”，而这个目标量子比特最终可以用于计算。

研究人员精心设计了这3个组件之间的相互作用，以确保当目标量子比特的能量过大时，多余的热量会自动流出并进入另外两个组件。通常过多的能量会导致错误。而此举降低了目标量子比特的温度并使其重置。由于这个过程是自主的，因此三态粒子-量子比特“冰箱”可以在没有任何外部控制的情况下纠正错误。

查尔姆斯理工大学的Aamir Ali表示，这种重置量子比特的方法比传统方法所需的新硬件更少，并且产生了更好的效果。“在没有对量子计算机进行任何重大再设计或引入新导线的情况下，这种方法将量子比特重置到正确状态的概率为99.97%。相比之下，其他重置方法通常只能达到99.8%。”他说。

“这是一个强有力的例证，说明了处理热量、能量和温度的热力学机器是如何在量子领域发挥作用的。”美国国家标准与技术研究所的Nicole Yunger Halpern说。

像内燃机这样的传统热力学机器引发了全面的工业革命，但到目前为止，量子热力学还不是很实用。“这个有用的自主量子‘冰箱’正是第一个成功的例子。”Yunger Halpern说。

“我很高兴看到这台装置的实现和使用。事实上，它是自主的，不需要任何外部控制，因此能够更高效且通用。”瑞士日内瓦大学的Nicolas Brunner说。

波兰格但斯克大学的Michal Horodeck说，利用超导电路构建量子计算机面临的最紧迫挑战之一是确保它不会过热并因此出错。他认为，这项新实验为许多已经提出但从未经过测试的类似项目开辟了一条道路，比如使用量子比特构建自主量子引擎。

科学家已经在研究能否在这项实验的基础上更进一步。例如，他们可能会建造一个自主量子钟，或者设计一台由温差自动驱动的具有其他功能的量子计算机。（王方）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41567-024-02708-5