史上最冷量子位元：加速量子電腦發展新契機

科學家運用由「熱浴」供能的量子冰箱，成功將量子位元冷卻至創紀錄的低溫。有科學家表示，一種新型的自主量子冰箱，能夠大幅提升量子電腦的效能，並使其運作更為可靠。

在1月9日發表於《自然物理學》期刊的一項研究中，研究人員利用由微波輻射「熱浴」供能的量子冰箱，成功將一個量子位元冷卻至僅22毫開爾文（相當於華氏零下459.63度，或攝氏零下273.13度），這是量子位元迄今達到的最低溫度。

瑞典查爾摩斯工業大學量子技術研究專家、該研究的主要作者阿米爾・阿里在一份宣告中指出：「這為更可靠且無錯誤的量子計算鋪平了道路，能夠減少硬體的負荷。」

量子電腦需要被冷卻到極低的溫度，科學家才能利用微妙的量子特性進行計算。因為即使是最微小的環境幹擾，都可能改變數子態，導致計算錯誤。這對於超導量子位元尤為關鍵，例如IBM的1000量子位元禿鷹晶片，就需要在接近絕對零度（0K，相當於華氏零下459.67度或攝氏零下273.15度）的溫度下運作，才能保持穩定。

將量子位元冷卻至接近絕對零度，能使其處於可能的最低能量狀態，也就是所謂的「基態」。在此狀態下，量子位元更有可能長時間保持其量子特性，從而進行精準的計算。

新系統並非取代傳統的稀釋冷凍機（其利用氦氣透過稀釋過程吸收熱量，可將量子位元冷卻至約50毫開爾文），而是對其進行補充，進一步降低量子位元的溫度。它透過利用微波輻射產生的熱庫能量，將其匯入量子冰箱的兩個量子位元之一。

該研究的共同作者、馬裡蘭大學物理學兼IPST兼職助理教授妮可・楊格・哈爾彭在宣告中解釋道：「來自熱環境的能量，透過量子冰箱的兩個量子位元之一傳導，將目標量子位元的熱量泵入量子冰箱的第二個冷量子位元。這個冷量子位元與冷環境達到熱平衡，目標量子位元的熱量最終被排放到該冷環境中。」

運用這種方法，科學家將量子位元在計算前處於基態的可能性提高到了99.97%。阿里表示，相比之下，先前技術的機率介於99.8%至99.92%之間。他補充道：「這看似是個小差距，但在進行多次計算時，累積起來將大幅提升量子電腦的運算效率。」

與極其複雜且難以擴充套件的量子稀釋冷凍機不同，這種新型的熱驅動系統是自主運作的，一旦啟動就無需外部控制。研究結果超出了研究人員的最初預期。

查爾摩斯工業大學量子技術副教授、該研究的共同作者西蒙尼・加斯帕裡內蒂在宣告中表示：「我們的研究可以說是首次展示了一個自主量子熱機執行具有實際用途的任務。我們最初將其視為一個概念驗證，所以當發現其效能超過所有現有的將量子位元冷卻至創紀錄低溫的重置協議時，我們感到十分驚喜。」