澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究表明，使用現(xiàn)代版本的“麥克斯韋妖”，可將量子比特重置為“0”態(tài)的錯(cuò)誤減少了20倍。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一個(gè)量子團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種重置量子計(jì)算機(jī)的方法。所謂“重置”也就是制備一個(gè)處于“0”狀態(tài)的量子比特，這種新方法具有很高的置信度，這是可靠的量子計(jì)算所需要的。該方法出奇地簡(jiǎn)單：它與一種叫做“麥克斯韋妖”的熱力學(xué)思想實(shí)驗(yàn)有關(guān)，在這個(gè)150年前由英國(guó)著名物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋提出的思想實(shí)驗(yàn)中，麥克斯韋妖可以通過(guò)觀(guān)察單個(gè)分子的速度，從而違反熱力學(xué)規(guī)律將氣體分離成冷熱氣體。

“在這里，我們使用了一個(gè)更現(xiàn)代的‘小妖’：一個(gè)快速數(shù)字電壓表——來(lái)觀(guān)測(cè)從‘溫暖’的電子池中隨機(jī)抽取的電子的溫度。在這一過(guò)程中，我們使它比池子更冷，這對(duì)應(yīng)于它處于'0'計(jì)算狀態(tài)的高度確定性，“領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)的新南威爾士大學(xué)的Andrea Morello教授說(shuō)。

“量子計(jì)算機(jī)只有在以極低的錯(cuò)誤率得出最終結(jié)果時(shí)才有用。我們可以擁有近乎完美的量子運(yùn)算過(guò)程，但如果從錯(cuò)誤的初始代碼開(kāi)始計(jì)算，最終的結(jié)果也是錯(cuò)誤的。我們的數(shù)字‘麥克斯韋妖’讓我們?cè)谠O(shè)置計(jì)算初態(tài)的準(zhǔn)確度方面提高了20倍。”該研究發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)出版的期刊《Physical Review X》上。

通過(guò)觀(guān)測(cè)使電子變冷

Morello教授的團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)使用硅原子中的電子自旋來(lái)編碼和操縱量子信息，并在執(zhí)行量子操作時(shí)展示了創(chuàng)紀(jì)錄的高保真度——即錯(cuò)誤率非常低。而目前用電子進(jìn)行有效量子計(jì)算的最后一個(gè)障礙，就是在已知狀態(tài)下制備電子作為計(jì)算起點(diǎn)時(shí)的保真度。

“準(zhǔn)備電子量子態(tài)的一般方法是使用接近絕對(duì)零度的極低溫，并希望電子全部弛豫到低能量的‘0’態(tài)，”該論文中的首席實(shí)驗(yàn)作者M(jìn)ark Johnson博士解釋道?！安恍业氖牵词故褂米顝?qiáng)大的制冷機(jī)，我們?nèi)杂?0%的機(jī)會(huì)錯(cuò)誤地制備處于‘1’態(tài)的電子。這沒(méi)法用作量子計(jì)算，所以我們必須做得更好?！?/p>

Mark Johnson博士畢業(yè)于新南威爾士大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，他決定使用一種非?？焖俚臄?shù)字測(cè)量?jī)x器來(lái)“觀(guān)察”電子的狀態(tài)，并使用儀器內(nèi)部的實(shí)時(shí)決策處理器來(lái)決定是否保留該電子并使用它用于進(jìn)一步的計(jì)算。這一過(guò)程的效果是將錯(cuò)誤率從20%降低到1%。

舊瓶裝新酒

Morello教授說(shuō)：“當(dāng)我們開(kāi)始寫(xiě)下我們的結(jié)果，并思考如何最好地解釋它們時(shí)，我們意識(shí)到——我們做出了一個(gè)現(xiàn)代版本的‘麥克斯韋妖’?！?/p>

“麥克斯韋妖”的概念可以追溯到1867年，當(dāng)時(shí)詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）設(shè)想了一種能知道氣體中每個(gè)分子速度的小妖精。它會(huì)拿一個(gè)裝滿(mǎn)氣體的盒子，中間有一堵隔墻，還有一扇可以快速開(kāi)關(guān)的門(mén)。根據(jù)不同分子的速度，小妖可以選擇是否打開(kāi)大門(mén)，讓慢（冷）分子匯聚在一側(cè)，而快（熱）分子匯聚在另一側(cè)。

“這個(gè)小妖是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，旨在討論違反熱力學(xué)第二定律的可能性，當(dāng)然，從來(lái)沒(méi)有這樣的小妖存在過(guò)，”Morello教授說(shuō)。

“現(xiàn)在使用快速數(shù)字電子技術(shù)，我們?cè)谀撤N意義上創(chuàng)造了一個(gè)麥克斯韋妖。我們讓它負(fù)責(zé)只觀(guān)察單個(gè)電子，并確保它盡可能冷。在這里，‘冷’直接轉(zhuǎn)化為我們想要構(gòu)建和運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)處于‘0’狀態(tài)?！?/p>

這一結(jié)果的意義對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的可行性非常重要。它能提高量子計(jì)算機(jī)的容錯(cuò)能力，但前提是錯(cuò)誤要足夠少。錯(cuò)誤容忍度的典型閾值約為1%。這包括了所有的錯(cuò)誤，諸如準(zhǔn)備、操作和最終結(jié)果的讀出等。

Johnson博士說(shuō)：“這過(guò)程僅使用了現(xiàn)代電子儀器，在量子硬件層中沒(méi)有引入額外的復(fù)雜性?，F(xiàn)在我們能以足夠好的精度制備我們的電子量子比特，以便后面進(jìn)行可靠的進(jìn)一步計(jì)算。這是量子計(jì)算發(fā)展中的一個(gè)重要結(jié)果。非常奇特的是，它竟然源自一個(gè)150年前的想法！”

編譯：王珩

編輯：慕一