IBM 的 100 量子比特芯片以 5,000 次操作推进自纠错量子计算机

研究人员展示了量子计算机如何在计算持续进行的同时，重复测量并重置其量子比特，从而帮助抑制处理器内部的混沌行为。该实验使用了多达 100 个量子比特，并展示了开发更可靠量子机器的一项关键技术。

该团队包括来自 Rutgers University、IBM 以及几家合作机构的科学家。他们的研究结果发表在 Nature Physics 上，还揭示了混沌与受控量子行为之间的剧烈转变。

重置量子比特以恢复秩序

量子计算机处理信息的方式与传统机器不同。它们的量子比特可以处于状态叠加，赋予了它们经典比特无法直接复制的能力。然而，这些脆弱的状态会因与环境的相互作用和硬件缺陷而退化。

误差会在计算过程中累积，最终导致结果不可靠。研究人员必须开发出能在计算持续进行时检测并纠正这些误差的系统。这种方法被称为量子纠错，构成了容错量子计算的基础。

该团队使用拥有 156 个量子比特的 IBM Quantum Heron 处理器测试了其方法。研究人员为实验选择了一个包含多达 100 个量子比特的连接链。

他们在两个竞争过程中交替进行。一个过程在相邻量子比特之间打乱信息，使无序状态在系统中蔓延。另一个过程则重复测量单个量子比特，并将其重置为预定状态。

该实验涉及近 5,000 次双量子比特操作，以及近 5,000 次测量和重置周期。这使得研究人员能够研究重复干预如何抵消打乱过程。

从混沌中剧烈转变

研究人员调整了每个过程发生的频率，以确定哪种行为占据主导地位。当打乱发生的频率更高时，系统保持混沌状态。相反，更频繁的测量和重置则将其推向有序、可控的状态。

最显著的变化发生在两个过程处于 50-50 平衡点附近时。相对频率的微小调整就能引发整个系统的剧烈转变。

物理学家称这种现象为相变。它描述了系统行为的集体变化，类似于水结成冰。

Louisiana State University 物理学副教授、该研究的共同作者 Justin Wilson 解释说，随机干预可以抑制原本无法预测的行为。研究人员还发现，这种转变在量子系统中依然存在，而此前其是否存在一直是不确定的。

研究结果与理论预测相符。随着研究人员检查更大的系统，这种转变也变得更加清晰，这表明该效应延伸到了小型实验电路之外。

迈向容错计算

实时反馈可以帮助未来的量子处理器在长时间的计算中管理误差。容错机器必须多次重复这些操作，而不是执行单次校正，且不能破坏其处理的信息。

IBM 研究员 Maika Takita 表示，该实验在一个大型系统中协调了数千次量子操作、测量和重置。她将这种能力描述为迈向实用纠错的重要一步。

该团队还测试了比传统 computers 所能模拟的更大的系统。这一对比增强了对理论解释的信心。

来自 City College of New York、Iowa State University、Penn State 以及其他机构的研究人员也对这项工作做出了贡献。

这次演示并没有建成一台完全容错的量子计算机。然而，它表明目前的硬件可以在操作持续进行的同时，重复干预 quantum 系统，使可扩展量子计算更接近核心工程目标。