量子计算机初始化速度提高20倍，全因这只妖

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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新南威尔士大学(UNSW)的研究表明，使用现代版的“麦克斯韦妖”，将量子比特重置到其|0⟩态(即量子比特的初始化)的速度提高了20倍。研究成果以《用贝叶斯的麦克斯韦妖战胜量子比特初始化的热极限》为题[1]，发表在《物理评论X》上。

全新方法：量子计算机初始化速度提升20倍

Andrea Morello教授解释麦克斯韦妖的思想实验是如何与他的团队通过只选择冷电子进行量子计算的成就。

由新南威尔士大学Andrea Morello教授领导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：即将一个量子比特重置为|0⟩态——具有非常高的置信度，这是可靠的量子计算所需要的。

该方法出乎意料地简单：它与“麦克斯韦妖”这一古老的概念有关。“麦克斯韦妖”是一个全知全能的存在，它可以通过观察单个分子的速度将气体分为热和冷。

“在这里，我们使用了一个更现代的‘妖’——一个快速的数字电压表，来观察从一个温暖的电子池中随机抽取的电子的温度。在这样做的时候，我们使它比它来自的池子冷得多，这相当于它处于|0⟩计算状态的高度确定性。”Andrea Morello教授说[2]。

“量子计算机只有在能够以非常低的错误概率达到最终结果时才有用。而人们可以有近乎完美的量子操作，但如果计算从错误的代码开始，最终的结果也会是错误的。我们的数字‘麦克斯韦妖’带来了20倍的改进，我们可以准确地设定计算的开始。”

观察电子以使其更冷

Morello教授的团队已经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。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的起点的保真度。

“制备电子的量子态的正常方法是到极低的温度，接近绝对零度，并希望电子都放松到低能量的|0⟩态，”该论文的主要实验作者Mark Johnson博士解释说：“不幸的是，即使使用最强大的稀释制冷机，我们仍然有20%的概率错误地将电子制备在|1⟩态。这是不可以接受的，我们必须做得更好。”

新南威尔士大学电气工程系毕业生Johnson博士决定使用一个非常快速的数字测量仪器来“观察”电子的状态，并使用仪器内的实时决策处理器来决定是否保留该电子并将其用于进一步计算。

这个过程的效果是将错误的概率从20%降低到了1%。

“麦克斯韦妖”的现代版

Morello教授说：“当我们开始写出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’这一古老想法的现代转折。”

麦克斯韦妖的概念可以追溯到1867年，当时詹姆斯·麦克斯韦想象出一种生物有能力知道气体中每个分子的速度。他将采取一个装满气体的盒子，中间有一堵分隔墙，还有一扇可以快速打开和关闭的门。凭借他对每个分子速度的了解，妖可以打开门，让缓慢（冷）的分子堆积在一边，而快速（热）的分子堆积在另一边。

Morello教授说：“这个妖是一个思想实验，用来辩论违反热力学第二定律的可能性，但当然没有这样的妖存在过。”

“现在，利用快速数字电子技术，我们在某种意义上创造了一个麦克斯韦妖。我们给他的任务是监视一个电子，并确保它尽可能地冷。在这里，‘冷’直接转化为它处于我们想要建立和操作的量子计算机的|0⟩态。”

这一结果的影响对量子计算机的可行性非常重要。这样的机器可以被建造，具有容忍一些错误的能力，但前提是这些错误足够罕见。具体的容忍错误的典型阈值约为1%，这适用于所有错误，包括准备、操作和最终结果的读出。

这种电子版的“麦克斯韦妖”使新南威尔士大学的团队能够将制备工作的错误减少20倍：从20%减少到1%。

Johnson博士说：“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；我们已经能够在足够好的精度内制备我们的电子量子比特，以允许进行可靠的后续计算。”

“这对于量子计算的未来是一个重要的结果。而且相当奇特的是，它也代表了150年前的一个想法的体现！”

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041008

[2]https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/new-quantum-computing-feat-modern-twist-150-year-old-thought-experiment