新型温度计可加速量子计算机的发展

瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的研究人员开发了一种新型的温度计，可以在量子计算过程中简单而快速地测量温度，并具有极高的准确性。这一突破为量子计算提供了一个具有重大价值的基准工具--并为令人兴奋的量子热力学领域的实验开辟了道路。

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前面是新的芯片上的量子温度计。据查尔姆斯大学的研究人员说，这可能是世界上最快和最敏感的温度计，用于测量波导冷端在毫开尔文尺度上的温度。

量子计算机的一个关键组成部分是同轴电缆和波导--引导波形的结构，并作为量子处理器和控制它的经典电子产品之间的重要连接渠道。微波脉冲沿着波导到达量子处理器，并在途中被冷却到极低的温度。波导还对脉冲进行衰减和过滤，使极其敏感的量子计算机能够以稳定的量子状态工作。

为了最大限度地控制这一机制，研究人员需要确保这些波导在其发送的脉冲之上不携带由于电子的热运动而产生的噪音。换句话说，他们必须测量微波波导冷端电磁场的温度，也就是控制脉冲传递给计算机量子比特的那一点。在尽可能低的温度下工作可以最大限度地减少在量子比特中引入错误的风险。

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Scigliuzzo等人在实验中使用的超导电路的艺术印象（左），以及其在单一激发量子水平上测量热微波的能力（右）。

到目前为止，研究人员只能间接地测量这种温度，有相对较大的延迟。现在，通过查尔姆斯大学研究人员的新型温度计，可以在波导的接收端直接测量非常低的温度--非常准确，而且具有极高的时间分辨率。这对于测量量子计算机性能非常重要。

瓦伦堡量子技术中心（WACQT）的研究人员的目标是建立一台量子计算机--基于超导电路--至少有100个功能良好的量子比特，在2030年前进行正确的计算。它要求处理器的工作温度接近绝对零度，最好低至10毫开尔文。新的温度计为研究人员提供了一个重要的工具，用于测量他们的系统有多好以及存在哪些不足之处--这是能够完善技术和实现目标的必要步骤。

每一个存在的光子都会毁掉量子比特。在典型的操作频率下，温度从20mK上升到30mK意味着50倍的热光子，因此出错的风险也会高出50倍。一定的温度对应着一定数量的热光子，而这个数量随着温度的升高呈指数级下降。如果成功地将波导与量子比特相遇的那一端的温度降低到10毫开，那么我们的量子比特出现错误的风险就会大大降低。

精确的温度测量对于需要能够保证其部件质量的供应商来说也是必要的，例如用于处理低至量子态信号的电缆。

叠加、纠缠和退相干等量子力学现象不仅意味着未来计算的革命，也可能是热力学的革命。很可能热力学定律在纳米尺度下工作时发生了某种变化，有朝一日可以利用这种方式来生产更强大的发动机、更快的充电电池等等。

例如，新的温度计可以测量作为量子热引擎或冰箱的电路对热微波的散射。

相关链接：https://phys.org/news/2021-03-thermometer-quantum.html

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