悉尼新南威尔士大学的一个量子工程师团队开发了一种重置量子计算机的方法，即以非常高的置信度准备一个处于“0”状态的量子比特，这是可靠的量子计算所需要的。这个方法非常简单：它与“麦克斯韦妖”这个古老的概念有关。“麦克斯韦妖”是众所周知的存在，它可以通过观察单个分子的速度将气体分为冷热两种。

“在这里，我们使用了一个更现代的‘恶魔’，即一个快速数字电压表，我们用它来观察从温暖的电子池中随机抽取的电子的温度。在这样做的过程中，我们使它比它来自的电子池更冷，这对应于它处于'0'计算状态的高度确定性，“领导该团队的新南威尔士大学的 Andrea Morello 教授说。

“只有当量子计算机能够以极低的错误概率得出最终结果时，它们才有用。一个人可以拥有近乎完美的量子运算，但如果从错误的代码开始计算，最终的结果也会是错误的。我们的数字‘麦克斯韦妖’让我们在设置计算开始的准确度方面提高了 20 倍。”

这项研究发表在美国物理学会出版的《物理评论X》杂志上。

观察电子使其变冷

Morello教授的团队率先使用硅中的电子自旋来编码和操纵量子信息，并在执行量子操作时展示了创纪录的高保真度，即错误概率非常低。利用电子进行高效量子计算的最后一个障碍是在已知状态下制备电子作为计算起点的保真度。

“制备电子量子态的正常方法是进入极低温度，接近绝对零度，并希望电子全部放松到低能量‘0’态，”该论文的主要实验作者Mark Johnson 博士解释道。“遗憾的是，即使使用最强大的制冷机，我们仍然有20%的机会错误地将电子制备为‘1’态。这是不可接受的，我们必须做得更好。”

新南威尔士大学电气工程专业毕业生Johnson 博士决定使用一种非常快速的数字测量仪器来“观察”电子的状态，并使用仪器内部的实时决策处理器来决定是否保留该电子并使用它用于进一步的计算。这一过程的效果是将错误概率从 20% 降低到 1%。

图：用贝叶斯麦克斯韦妖初始化电子自旋。

对旧思想的新诠释

“当我们开始写下我们的结果并思考如何最好地解释它们时，我们意识到我们所做的是对‘麦克斯韦妖’旧想法的现代诠释，”Morello教授说。

“麦克斯韦妖”的概念可以追溯到 1867 年，当时詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 设想了一种能够知道气体中每个分子速度的生物。他会拿一个装满煤气的盒子，中间有一堵隔墙，还有一扇可以快速开关的门。凭借对每个分子速度的了解，恶魔可以打开大门，让慢（冷）分子堆积在一侧，而快（热）分子堆积在另一侧。

“这个恶魔是一个思想实验，旨在讨论违反热力学第二定律的可能性，但当然，这样的恶魔从来就不存在，”Morello教授说。

“现在，使用快速数字电子技术，我们在某种意义上创造了一个这样的“恶魔”。我们让他负责只观察一个电子，并确保它尽可能冷。在这里，‘冷’直接转化为我们想要构建和运行的量子计算机处于‘0’状态。”

这一结果的意义对于量子计算机的可行性非常重要。这样的机器可以构建为具有容忍某些错误的能力，但前提是它们足够少。错误容忍度的典型阈值约为 1%。这适用于所有错误，包括准备、操作和最终结果的读出。

这个“麦克斯韦妖”的电子版本让 UNSW 团队将准备错误减少了 20 倍，从 20% 减少到 1%。

“仅仅通过使用现代电子仪器，在量子硬件层中没有额外的复杂性，我们已经能够以足够好的精度准备我们的电子量子比特，以允许进行可靠的后续计算，”Johnson博士说。

“这是量子计算未来的一个重要结果。非常奇特的是，它还代表了 150 年前的一个想法的体现！”

原文链接：https://www.eurekalert.org/news-releases/972821

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