量子计算机发展中最大的挑战是干扰量子效应的磁噪声和电噪声，因此处理器QPU（量子处理单元）被冷却到尽可能低的温度，略高于-273度的绝对零点。这发生在低温恒温器中，如图所示。处理器位于低温恒温器的底部。图片来源：Ola J. Joensen，NBI
世界各地的科学家都在努力清理量子系统中的噪音，这可能会干扰未来强大的量子计算机的功能。尼尔斯·玻尔研究所（NBI）的研究人员发现了一种利用噪声处理量子信息的方法。这提高了量子计算单元（量子比特）的性能。
由哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（NBI）的科学家领导的一项国际合作已经展示了一种替代方法。他们的方法允许使用噪声来处理量子信息。因此，基本量子计算信息单元量子比特的性能提高了 700%。
这些结果发表在《自然通讯》杂志上。
“事实证明，在量子系统中避免噪声是很困难的，因为环境的几乎任何变化都会破坏事物。例如，您的系统可能在给定的磁场或电场下运行，如果该磁场稍有变化，量子效应就会分崩离析。
“我们建议采用完全不同的方法。我们没有消除噪音，而是使用连续的实时噪音监控，并随着环境的变化而调整系统，“该研究的主要作者NBI的博士研究员Fabrizio Berritta说。
由于几个高科技领域的最新发展，这种新方法成为可能。
“以前，比如说20年前，可以可视化实验后的波动，但在实际实验中利用这些信息太慢了。我们使用 FPGA [现场可编程门阵列] 技术来实时获取测量结果。此外，我们使用机器学习来加快分析速度，“Berritta 解释道。
“整个想法是在实时调整系统的同一微处理器中获取测量结果并进行分析。否则，该方案对于量子计算应用来说将不够快。
量子属性增加价值在目前的计算中，可传输信息的基本单位，称为比特，与电子的电荷有关。它只能有两个值中的一个，1 或 0——要么有电子，要么没有电子。相应的量子计算单元（称为量子比特）将能够假设两个以上的值。
每个量子比特所包含的信息量将随着人们能够控制的量子属性的数量呈指数级增长，也许有一天计算机会比传统计算机更强大。
量子力学的一个基石是基本粒子不仅要有质量和电荷，还要有自旋。另一个关键术语是纠缠。在这里，两个或多个粒子以这样一种方式相互作用，即单个粒子的量子态不能独立于其他粒子的状态来描述。
新发现背后的协议集成了在砷化镓双量子点中实现的单重态-三重态自旋量子比特与FPGA驱动的量子比特控制器。量子比特涉及两个电子，两个电子的状态纠缠在一起。
DOI: 10.1038/s41467-024-45857-0量子比特是相当于比特的高级量子计算。该项目的量子比特由两个被困在晶体中的电子组成。电子的自旋（这里一个有向下的自旋，另一个有向上的）可以通过改变磁场梯度ΔBz来控制。然而，磁噪声和电噪声都会影响这个梯度。FPGA（现场可编程门阵列）微处理器持续测量噪声水平，并根据变化进行实时调整。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45857-0
跨学科团队的努力
就像其他自旋量子比特一样，单重态-三重态量子比特很容易受到环境中即使是很小的干扰。物理学家使用术语“噪声”，不应从字面上理解为声学噪声。就量子系统而言，电场或磁场波动等干扰会破坏感兴趣的量子态。
为了证明环境波动的有益用途，研究人员选择了这个量子比特，因为它与磁噪声和电噪声的耦合在NBI的一系列早期研究中得到了很好的理解，该研究由Ferdinand Kuemmeth教授领导，领导着NBI的半导体和超导量子器件研究小组。
这项新研究汇集了NBI，普渡大学，挪威科技大学，QDevil（哥本哈根）和Quantum Machines（特拉维夫）公司的研究小组，涉及量子比特材料，量子比特制造，量子比特控制硬件，量子信息理论和机器学习等一系列领域。
“这种合作表明，量子计算机的发展不再是一项可以由单个物理小组驱动的活动。拿走我们的任何一个合作伙伴，这项工作都是不可能的，“Kuemmeth 说。
更好的噪音方法研究人员将新协议视为量子计算机发展的里程碑，但也意识到必须实现许多其他里程碑。
“我们的下一步将是将我们的协议应用于不同材料和多个量子比特的系统，”Berritta说。“我不能说我们什么时候能看到第一台真正有用的量子计算机。也许 10 年后。
“无论如何，我们相信已经提出了一个有前途的方法。许多同事专注于消除噪声以开发更好的量子比特，例如通过提高用于制造量子比特的材料的质量。我们已经证明，在某些条件下，人们可以主动调整一些噪音。这可能与其他类型的量子比特有关，除了我们研究中的类型。
更多信息： Fabrizio Berritta 等人，自旋量子比特的实时双轴控制，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45857-0
