为什么绝对零以上 1 度的量子计算如此重要

在稍高的温度下运行意味着量子计算机可以更容易操作，并且可以更广泛地使用。

几十年来，量子计算的追求一直在与极低温度的需求作斗争，温度仅高于绝对零度（0 开尔文或 –273.15°C）。这是因为赋予量子计算机独特计算能力的量子现象只能通过将它们与我们所居住的熟悉的经典世界的温暖隔离来利用。

单个量子位或“量子位”相当于经典计算核心的二进制“零或一”位，需要大型制冷设备才能运行。然而，在我们期望量子计算机实现突破的许多领域——例如设计新材料或药物——我们将需要大量的量子比特，甚至整个量子计算机并行工作。

能够管理错误和自我纠正的量子计算机对于可靠计算至关重要，预计其规模将非常庞大。谷歌、IBM 和 PsiQuantum 等公司正在为未来整个仓库充满冷却系统并消耗大量电力来运行一台量子计算机做准备。

但如果量子计算机能够在稍高的温度下运行，它们的操作就会容易得多，而且应用范围也会更广。在《自然》杂志上发表的新研究中，我们的团队展示了某种量子位（单个电子的自旋）可以在 1K 左右的温度下运行，比之前的例子要热得多。

冷酷无情的事实

冷却系统在较低温度下效率会降低。更糟糕的是，我们今天用来控制量子位的系统是相互缠绕的混乱电线，让人想起 ENIAC 和 20 世纪 40 年代的其他大型计算机。这些系统增加了热量，并为量子位协同工作造成了物理瓶颈。

我们试图塞进的量子位越多，问题就变得越困难。在某种程度上，布线问题变得难以克服。

之后，控制系统需要内置到与量子位相同的芯片中。然而，这些集成电子设备比混乱的电线消耗更多的电力，并且散发更多的热量。

温暖的转身

我们的新研究可能会提供一条前进的道路。我们已经证明，一种特殊的量子位——由在硅上印有金属电极的量子点制成，使用的技术与现有微芯片生产中使用的技术非常相似——可以在 1K 左右的温度下运行。

这仅比绝对零度高一度，所以仍然非常冷。然而，它比之前想象的要暖得多。这一突破可以将庞大的制冷基础设施压缩为一个更易于管理的单一系统。它将大大降低运营成本和功耗。

这种技术进步的必要性不仅仅是学术上的。在药物设计等领域，风险很高，量子计算有望彻底改变我们理解分子结构以及与分子结构相互作用的方式。

这些行业的研发费用高达数十亿美元，凸显了更容易获得的量子计算技术可能带来的成本节约和效率提升。

缓慢燃烧

“更热门”的量子位提供了新的可能性，但它们也将在纠错和控制方面带来新的挑战。较高的温度很可能意味着测量误差率的增加，这将为保持计算机的功能带来进一步的困难。

量子计算机的发展仍处于早期阶段。量子计算机有一天可能会像今天的硅芯片一样无处不在，但通往未来的道路将充满技术障碍。

我们最近在更高温度下运行量子位方面取得的进展是简化系统要求的关键一步。

它为量子计算摆脱专业实验室的限制，进入更广泛的科学界、工业和商业数据中心带来了希望。

这篇编辑过的文章是根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布的。The Conversation。阅读原始文章。