澳洲新南威爾士大學的研究表明，使用現代版本的“麥克斯韋妖”，可将量子比特重置為“0”态的錯誤減少了20倍。
Andrea Morello教授解釋了麥克斯韋妖思想實驗如何與他的團隊通過僅選擇冷電子進行量子計算的成就相類比。（圖檔來源：新南威爾士大學）
澳洲新南威爾士大學的一個量子團隊開發了一種重置量子計算機的方法。所謂“重置”也就是制備一個處于“0”狀态的量子比特，這種新方法具有很高的置信度，這是可靠的量子計算所需要的。該方法出奇地簡單：它與一種叫做“麥克斯韋妖”的熱力學思想實驗有關，在這個150年前由英國著名實體學家詹姆斯·麥克斯韋提出的思想實驗中，麥克斯韋妖可以通過觀察單個分子的速度，進而違反熱力學規律将氣體分離成冷熱氣體。
“在這裡，我們使用了一個更現代的‘小妖’：一個快速數字電壓表——來觀測從‘溫暖’的電子池中随機抽取的電子的溫度。在這一過程中，我們使它比池子更冷，這對應于它處于'0'計算狀态的高度确定性，“上司該團隊的新南威爾士大學的Andrea Morello教授說。
“量子計算機隻有在以極低的錯誤率得出最終結果時才有用。我們可以擁有近乎完美的量子運算過程，但如果從錯誤的初始代碼開始計算，最終的結果也是錯誤的。我們的數字‘麥克斯韋妖’讓我們在設定計算初态的準确度方面提高了20倍。”該研究發表在美國實體學會出版的期刊《Physical Review X》上。
通過觀測使電子變冷
Morello教授的團隊首創使用矽原子中的電子自旋來編碼和操縱量子資訊，并在執行量子操作時展示了創紀錄的高保真度——即錯誤率非常低。而目前用電子進行有效量子計算的最後一個障礙，就是在已知狀态下制備電子作為計算起點時的保真度。
“準備電子量子态的一般方法是使用接近絕對零度的極低溫，并希望電子全部弛豫到低能量的‘0’态，”該論文中的首席實驗作者Mark Johnson博士解釋道。“不幸的是，即使使用最強大的制冷機，我們仍有20%的機會錯誤地制備處于‘1’态的電子。這沒法用作量子計算，是以我們必須做得更好。”
Mark Johnson博士畢業于新南威爾士大學電氣工程專業，他決定使用一種非常快速的數字測量儀器來“觀察”電子的狀态，并使用儀器内部的實時決策處理器來決定是否保留該電子并使用它用于進一步的計算。這一過程的效果是将錯誤率從20%降低到1%。
舊瓶裝新酒
Morello教授說：“當我們開始寫下我們的結果，并思考如何最好地解釋它們時，我們意識到——我們做出了一個現代版本的‘麥克斯韋妖’。”
“麥克斯韋妖”的概念可以追溯到1867年，當時詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）設想了一種能知道氣體中每個分子速度的小妖精。它會拿一個裝滿氣體的盒子，中間有一堵隔牆，還有一扇可以快速開關的門。根據不同分子的速度，小妖可以選擇是否打開大門，讓慢（冷）分子彙聚在一側，而快（熱）分子彙聚在另一側。
“麥克斯韋妖”的概念（圖檔來源：網絡）
“這個小妖是一個思想實驗，旨在讨論違反熱力學第二定律的可能性，當然，從來沒有這樣的小妖存在過，”Morello教授說。
“現在使用快速數字電子技術，我們在某種意義上創造了一個麥克斯韋妖。我們讓它負責隻觀察單個電子，并確定它盡可能冷。在這裡，‘冷’直接轉化為我們想要建構和運作的量子計算機處于‘0’狀态。”
這一結果的意義對于量子計算機的可行性非常重要。它能提高量子計算機的容錯能力，但前提是錯誤要足夠少。錯誤容忍度的典型門檻值約為1%。這包括了所有的錯誤，諸如準備、操作和最終結果的讀出等。
這個電子版的“麥克斯韋妖”讓新南威爾士大學團隊将制備錯誤從20%減少到了1%，減少了20倍。（圖檔來源：網絡）
Johnson博士說：“這過程僅使用了現代電子儀器，在量子硬體層中沒有引入額外的複雜性。現在我們能以足夠好的精度制備我們的電子量子比特，以便後面進行可靠的進一步計算。這是量子計算發展中的一個重要結果。非常奇特的是，它竟然源自一個150年前的想法！”
編譯：王珩
編輯：慕一