量子計算機三大革命性突破！解決最大痛點，首次實現自動糾錯

量子計算又有一項很牛逼的革命性成果了，實現了更低溫、更快製冷、自動降溫三大重要突破，將可能大幅提升量子計算機的性能，這不僅是技術上的飛躍，更可能是將量子計算推向實際應用的重要里程碑。這項研究已發表在1月9日《自然-物理學》雜誌上。

量子計算機的最大痛點是什麼？不是糾錯，不是噪聲，不是相干時間短，因爲這些痛點都直指最大的痛點，冷卻技術差。很多人可能就覺得莫名其妙了，量子計算機這麼高大上的東西，怎麼最大痛點反而是冷卻技術呢？

因爲量子計算的基礎就建立在製冷上。量子比特可能是這個世界上最脆弱的存在，任何些微的干擾都可能讓它崩潰，導致計算失敗。

目前主流的超導量子比特需要冷卻到絕對零度附近，最大限度地減少熱噪聲和環境干擾，才能讓量子比特的量子特性，比如疊加態和糾纏態維持一定時間。

這個“一定時間”是多少呢？說出來你可能驚掉眼球，只有微秒尺度，也就是說不到1毫秒。在這個比眨眼還短得多的時間範圍內，你就得完成一次量子比特的精確操控（計算），否則量子態就崩潰，計算就出錯了。

而且量子比特的每一次計算（操控），都必須從基態，也就是最低能量狀態開始。溫度越低，系統中熱量越小，量子比特停留在基態的時間就越多，量子計算的起點就越穩定。

但目前量子計算機的冷卻技術仍然存在卡脖子的兩大瓶頸：

一、溫度限制：最好的稀釋製冷機只能將量子比特冷卻到約50毫開爾文（mK）。這個溫度下量子比特處於基態的概率是 99.8%，意味着仍有 0.2% 的錯誤可能，而這個微小的錯誤會在大量計算中迅速放大。

二、時間和能耗問題：傳統方法需要幾百微秒的時間才能完成冷卻，也就是重置量子比特，而量子計算需要頻繁初始化量子比特，這意味着計算過程極爲耗時。而且冷卻過程依賴外部能量輸入，系統複雜且成本高。

這些瓶頸讓現有的量子計算機距離真正的高效實用化仍有很大差距。

瑞典查爾姆斯理工大學設計了一種新型的“量子冰箱”，通過引入三體相互作用和梯度製冷，突破了現有冷卻技術的限制，從而解決了這一痛點。

具體來說，他們用波導連接3個量子比特，利用稀釋製冷機的梯度製冷機制，讓一個量子比特Q1處於較熱的區域，提供能量來驅動量子比特Q2，將需要冷卻的量子比特Q3的熱量泵送到更冷的區域，成功地讓Q3冷卻到22mk，使其處於基態的概率達到了99.97%。

也就是說原來的錯誤率是千分之二，現在可以達到萬分之三了，降低了幾乎一個數量級，這對於需要進行大量計算，錯誤會不斷累積的量子計算機來說，無疑是革命性的突破。

更令人驚喜的是，完成一次冷卻的時間只需970納秒，也就是不到1微秒，比起原來數百微秒來說，絕對是一個革命性的提升，因爲冷卻時間越短，量子比特重置時間就越短，就能越快進入計算狀態，整體性能越好。

最令人驚喜的是，整個系統都位於稀釋製冷機內部，利用溫度梯度來爲Q1提供能量，完全不需外部信號和能量支持，就實現了Q3的自動冷卻，不僅大大簡化了系統設計，還降低了系統複雜性和能耗，完全可以說是革命性的發明。

也就是說，我們的空調不用電了，而改用外面的熱空氣來驅動，反而把室內溫度降到下雪，凍得你瑟瑟發抖，量子比特乖乖地聽從操控了。

最後再歸納一下這三重突破：

1、冷卻到22mk，基態概率99.97%；

2、時間只需1微秒；

3、自動冷卻。

這對量子計算機來說無疑是巨大的突破，它解決了量子計算機發展的最大痛點之一，爲未來構建更大規模、更穩定的量子計算機提供了關鍵技術支持，我們距離真正的量子計算革命將可能越來越近！

最後按慣例附上論文，有興趣的朋友可以去批評指正。

參考文獻：

Aamir, M.A., Jamet Suria, P., Marín Guzmán, J.A. et al. Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02708-5