新南威爾士大學悉尼分校的研究人員創造了一種新的技術，可以高度準確地重設量子計算機。這個過程被稱為在”0″狀態下準備一個量子位，對精確的量子計算至關重要。該方法基於”麥克斯韋惡魔”的原理，這種假想的生物可以通過觀察熱分子和冷分子的速度來分離。這種創新的解決方案在確保量子計算的可靠性方面是簡單而有效的。

“在這裡，我們使用了一個更現代的’惡魔’ – 一個快速的數字電壓表來觀察從一個溫暖的電子池中隨機抽取的電子的溫度。在這樣做的時候，我們使它比它來自的池子冷得多，這相當於它處於’0’計算狀態的高度確定性，”領導該團隊的新南威爾士大學的Andrea Morello教授說。

“量子計算機只有在能夠以極低的錯誤概率達到最終結果時才有用。而人們可以擁有近乎完美的量子操作，但如果計算從錯誤的代碼開始，最終的結果也會是錯誤的。我們的數字’麥克斯韋的惡魔’給我們帶來了20倍的改進，我們可以準確地設置計算的開始。”

這項研究發表在《物理評論X》上，這是美國物理學會出版的一本雜誌。

觀察電子以使其更冷

莫雷洛教授的團隊已經率先使用矽中的電子自旋來編碼和操縱量子信息，並展示了創紀錄的高保真度，即非常低的錯誤概率，在執行量子操作中。用電子進行高效量子計算的最後一個障礙是將電子準備在一個已知的狀態作為計算的起點的保真度。

“準備電子的量子狀態的正常方法是到極低的溫度，接近絕對零度，並希望電子都放鬆到低能量的’0’狀態，”該論文的主要實驗作者馬克-約翰遜博士解釋說。”不幸的是，即使使用最強大的製冷設備，我們仍然有20%的機會錯誤地將電子準備在’1’狀態。那是不能接受的，我們必須做得更好。”

新南威爾士大學電氣工程系畢業生約翰遜博士決定使用一個非常快速的數字測量儀器來”觀察”電子的狀態，並使用儀器內的實時決策處理器來決定是否保留該電子並將其用於進一步計算。這個過程的效果是將錯誤的概率從20%降低到1%。

一個老想法的新轉折

莫雷洛教授說：”當我們開始寫出我們的結果並思考如何最好地解釋它們時，我們意識到我們所做的是對’麥克斯韋的惡魔’這一古老想法的現代轉折。”

“麥克斯韋惡魔”的概念可以追溯到1867年，當時詹姆斯-克拉克-麥克斯韋想像出一種生物有能力知道氣體中每個分子的速度。他將採取一個裝滿氣體的盒子，中間有一堵分隔牆，還有一扇可以快速打開和關閉的門。憑藉他對每個分子速度的了解，惡魔可以打開門，讓緩慢（冷）的分子堆積在一邊，而快速（熱）的分子堆積在另一邊。

“這個惡魔是一個思想實驗，用來辯論違反熱力學第二定律的可能性，但當然，從來沒有這樣的惡魔存在，”莫雷洛教授說。”現在，利用快速數字電子技術，我們在某種意義上創造了一個。我們給他的任務是監視一個電子，並確保它盡可能地冷。在這裡，’冷’直接轉化為它處於我們想要建立和操作的量子計算機的’0’狀態。”

這一結果的影響對量子計算機的可行性非常重要。這樣的機器可以被建造，具有容忍一些錯誤的能力，但前提是這些錯誤足夠罕見。容忍錯誤的典型門檻是1%左右。這適用於所有錯誤，包括準備、操作和最終結果的讀出。這個電子版的”麥克斯韋惡魔”使新南威爾士大學的團隊能夠將準備工作的誤差減少20倍，從20%減少到1%。

約翰遜博士說：”僅僅通過使用現代電子儀器，在量子硬件層沒有額外的複雜性，我們已經能夠在足夠好的精度內準備我們的電子量子比特，以允許進行可靠的後續計算，這對於量子計算的未來是一個重要的結果。而且相當奇特的是，它也代表了150年前的一個想法的體現！”