要想在干净整洁的传统黑板上做数学题，最好先把它擦干净，抹除之前的所有记号，这样才有足够的空间演算。量子计算机同样需要这样的干净工作空间。现在，包括美国国家标准与技术研究所（NIST）科学家在内的一支科研团队已经找到了能够创造并维持这样一种空间的创新、有效方式。

参与这项研究的还有瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家，他们的成果解决了量子计算机设计者面临的一大主要问题：必须时刻保证超导量子处理器中的比特没有错误，随时准备在有需要时执行计算。这些所谓的“量子比特”对热和辐射极为敏感，稍有偏差就会破坏整个量子计算过程，就像传统黑板上没有擦干净的某些记号会让数字1看起来像7一样。

具体来说，在执行完计算后擦除这些量子比特需要将其冷却至仅高于绝对零度千分之几度的温度，并且始终保持它处于这个温度。相比擦干净量子比特黑板的其他先进方法，这支科研团队的成果能让量子比特达到更低的温度，不仅在结果上更加有效，而且方式上也取得了创新——利用在冰箱两个部分之间流动的热量（这样才能保持量子计算机处于低温状态）给“黑板擦”供能。事实证明，这种方法在其他领域也相当有用。

马里兰大学量子信息和计算机科学联合中心（QuICS）、NIST物理学家尼克 · 哈尔彭（Nicole Yunger Halpern）领导的团队称：“这项技术对量子计算机的发展很有帮助，可以解决量子计算机设计上的一大问题。另外，实验已经证明，我们可以从量子冰箱的某个部分汲取热量，并且将其转化为功。这点得到实验验证之后，我们的量子计算机研发路径就大大拓宽了，之后可能出现各种我们目前都还没有想到的新技术。”

这一技术方法的原理性验证过程发表在2025年1月的《自然-物理》（Nature Physics ）杂志上。

虽然量子计算机还远未成熟，但仍然是研究的热土，因为有潜力执行那些传统计算机无法轻松完成的任务，比如模拟在药物设计中扮演着重要角色的复杂分子结构。我们之所以认为量子计算机拥有这样的能力，是因为量子比特和传统计算机的比特存在差异：传统计算机的比特只能以0或1的状态存在，而量子比特可以同时以这两种状态存在，所以量子计算机理论上可以一次筛选大量潜在的解决方案。

用超导电路制造量子比特是一个很有前途的方法，也正是NIST和QuICS在这项研究中使用的方法。超导量子比特有很多优点，其中之一就是可调性：实验物理学家可以随心所欲地改变量子比特的特性。不过，量子比特可能会以极快的速度衍生出可以毁掉整个计算过程的错误——即便是超导量子比特也不例外。

擦除超导量子比特意味着将其重置到最低能量状态——事实证明，这很棘手。一种重置量子比特的有效方式是尽可能冷却，冷却到几十毫开尔文（也就是比绝对零度仅仅高出千分之几度）。之前，最好的重置方法能将量子比特冷却到40～49毫开尔文。查尔姆斯理工大学的量子物理学家、这篇论文的共同作者阿米尔 · 阿里（Aamir Ali）说，虽然这个数字听上去不错，但其实还不够好。NIST和QuICS的这项实验就是在首席研究员西蒙尼 · 加斯帕里内蒂（Simone Gasparinetti）的监督指导下于查尔姆斯理工大学完成的。

阿里还说：“在量子计算机中，起始阶段的错误会随着计算过程的推进累积起来。因此，越是能在计算初始阶段剔除错误，后续就越能节省越多精力。”

NIST和QuICS合作团队的方法可以把量子比特冷却至22毫开尔文。这个改进可以把“量子黑板”擦得更干净，进而降低起始阶段的错误导致后续问题的可能性。

哈尔彭说：“要是不能把量子比特冷却到那么低的温度，就不可能把量子黑板擦得这么干净。”

这个团队之所以能够实现这个成果，是因为使用了一种名为“量子制冷”的技术，此前，这项技术从未应用到真实的机器中。这种量子制冷技术借助某种能量从冰箱的内部汲取热量，并冷却目标。在家用传统冰箱中，能量来源是电，但量子冰箱会利用量子计算机其他任何位置产生的热量。

NIST和QuICS团队的量子冰箱额外用到两个量子比特。第一个与量子计算机温度更高的部分相连，充当能量供应源。第二个量子比特就相当于热量洼地，可以吸纳计算过程中量子比特不需要的超量热量。在真实的量子计算机中，如果用于计算的量子比特——做计算的黑板——温度过高，量子冰箱的第一个量子比特会将执行计算的量子比特不需要的超量热量抽送到第二个量子比特（热量洼地），这样就带走了热量，将执行计算的量子比特重置到基态附近，完成“擦黑板”的任务。

整个过程自主运行，对外部控制和额外资源的需求（用来维持执行计算的量子比特的计算能力）都降到了最低。

阿里说：“我们认为，这个方法为后续更为可靠的量子计算铺平了道路。就目前来说，管控量子计算机中的错误还很难。要是每次都能让量子比特从更接近基态的状态开始执行计算，后续需要修正的错误就会变少，相当于防患于未然了。”

资料来源 NIST