新南威尔士大学悉尼分校的研究人员创造了一种新的技术，可以高度准确地重设量子计算机。这个过程被称为在"0"状态下准备一个量子位，对精确的量子计算至关重要。该方法基于"麦克斯韦恶魔"的原理，这种假想的生物可以通过观察热分子和冷分子的速度来分离。这种创新的解决方案在确保量子计算的可靠性方面是简单而有效的。

(资料图片仅供参考)

"在这里，我们使用了一个更现代的"恶魔" - 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，"领导该团队的新南威尔士大学的Andrea Morello教授说。

"量子计算机只有在能够以极低的错误概率达到最终结果时才有用。而人们可以拥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"麦克斯韦的恶魔"给我们带来了20倍的改进，我们可以准确地设置计算的开始。"

这项研究发表在《物理评论X》上，这是美国物理学会出版的一本杂志。

观察电子以使其更冷

莫雷洛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，并展示了创纪录的高保真度，即非常低的错误概率，在执行量子操作中。用电子进行高效量子计算的最后一个障碍是将电子准备在一个已知的状态作为计算的起点的保真度。

"准备电子的量子状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"状态，"该论文的主要实验作者马克-约翰逊博士解释说。"不幸的是，即使使用最强大的制冷设备，我们仍然有20%的机会错误地将电子准备在"1"状态。那是不能接受的，我们必须做得更好。"

新南威尔士大学电气工程系毕业生约翰逊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1%。

一个老想法的新转折

莫雷洛教授说："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"麦克斯韦的恶魔"这一古老想法的现代转折。"

"麦克斯韦恶魔"的概念可以追溯到1867年，当时詹姆斯-克拉克-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，恶魔可以打开门，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。

"这个恶魔是一个思想实验，用来辩论违反热力学第二定律的可能性，但当然，从来没有这样的恶魔存在，"莫雷洛教授说。"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。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"状态。"

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。容忍错误的典型门槛是1%左右。这适用于所有错误，包括准备、操作和最终结果的读出。这个电子版的"麦克斯韦恶魔"使新南威尔士大学的团队能够将准备工作的误差减少20倍，从20%减少到1%。

约翰逊博士说："仅仅通过使用现代电子仪器，在量子硬件层没有额外的复杂性，我们已经能够在足够好的精度内准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！"

标签： 量子计算理论 新南威尔士大学 2019未来科学大