量子计算机三大革命性突破！解决最大痛点，首次实现自动纠错

量子计算又有一项很牛逼的革命性成果了，实现了更低温、更快制冷、自动降温三大重要突破，将可能大幅提升量子计算机的性能，这不仅是技术上的飞跃，更可能是将量子计算推向实际应用的重要里程碑。这项研究已发表在1月9日《自然-物理学》杂志上。

量子计算机的最大痛点是什么？不是纠错，不是噪声，不是相干时间短，因为这些痛点都直指最大的痛点，冷却技术差。很多人可能就觉得莫名其妙了，量子计算机这么高大上的东西，怎么最大痛点反而是冷却技术呢？

因为量子计算的基础就建立在制冷上。量子比特可能是这个世界上最脆弱的存在，任何些微的干扰都可能让它崩溃，导致计算失败。

目前主流的超导量子比特需要冷却到绝对零度附近，最大限度地减少热噪声和环境干扰，才能让量子比特的量子特性，比如叠加态和纠缠态维持一定时间。

这个“一定时间”是多少呢？说出来你可能惊掉眼球，只有微秒尺度，也就是说不到1毫秒。在这个比眨眼还短得多的时间范围内，你就得完成一次量子比特的精确操控（计算），否则量子态就崩溃，计算就出错了。

而且量子比特的每一次计算（操控），都必须从基态，也就是最低能量状态开始。温度越低，系统中热量越小，量子比特停留在基态的时间就越多，量子计算的起点就越稳定。

但目前量子计算机的冷却技术仍然存在卡脖子的两大瓶颈：

一、温度限制：最好的稀释制冷机只能将量子比特冷却到约50毫开尔文（mK）。这个温度下量子比特处于基态的概率是 99.8%，意味着仍有 0.2% 的错误可能，而这个微小的错误会在大量计算中迅速放大。

二、时间和能耗问题：传统方法需要几百微秒的时间才能完成冷却，也就是重置量子比特，而量子计算需要频繁初始化量子比特，这意味着计算过程极为耗时。而且冷却过程依赖外部能量输入，系统复杂且成本高。

这些瓶颈让现有的量子计算机距离真正的高效实用化仍有很大差距。

瑞典查尔姆斯理工大学设计了一种新型的“量子冰箱”，通过引入三体相互作用和梯度制冷，突破了现有冷却技术的限制，从而解决了这一痛点。

具体来说，他们用波导连接3个量子比特，利用稀释制冷机的梯度制冷机制，让一个量子比特Q1处于较热的区域，提供能量来驱动量子比特Q2，将需要冷却的量子比特Q3的热量泵送到更冷的区域，成功地让Q3冷却到22mk，使其处于基态的概率达到了99.97%。

也就是说原来的错误率是千分之二，现在可以达到万分之三了，降低了几乎一个数量级，这对于需要进行大量计算，错误会不断累积的量子计算机来说，无疑是革命性的突破。

更令人惊喜的是，完成一次冷却的时间只需970纳秒，也就是不到1微秒，比起原来数百微秒来说，绝对是一个革命性的提升，因为冷却时间越短，量子比特重置时间就越短，就能越快进入计算状态，整体性能越好。

最令人惊喜的是，整个系统都位于稀释制冷机内部，利用温度梯度来为Q1提供能量，完全不需外部信号和能量支持，就实现了Q3的自动冷却，不仅大大简化了系统设计，还降低了系统复杂性和能耗，完全可以说是革命性的发明。

也就是说，我们的空调不用电了，而改用外面的热空气来驱动，反而把室内温度降到下雪，冻得你瑟瑟发抖，量子比特乖乖地听从操控了。

最后再归纳一下这三重突破：

1、冷却到22mk，基态概率99.97%；

2、时间只需1微秒；

3、自动冷却。

这对量子计算机来说无疑是巨大的突破，它解决了量子计算机发展的最大痛点之一，为未来构建更大规模、更稳定的量子计算机提供了关键技术支持，我们距离真正的量子计算革命将可能越来越近！

最后按惯例附上论文，有兴趣的朋友可以去批评指正。

参考文献：

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