量子处理器在反复纠错检查下实现从混沌到有序的转变

美国研究人员在一台156量子比特的IBM Quantum Heron处理器上证明，反复的检查与重置可以把混沌控制住，而这正是容错量子计算机所需的机制。这项发表在《自然·物理》上的研究，部分展示了实时纠错可能如何运作。容错是指在计算机仍在运行计算的同时发现并修正错误。

纠错为何重要

如今的量子计算机还是规模很小、功能受限的原型机。量子比特是量子计算机的基本单元，在被测量之前，它可以是1、0或两者之间的任何状态（叠加态）。算力的指数级提升正源于此。但量子比特也非常脆弱，容易受到热或振动的干扰，所以纠错才如此重要。

“要构建容错量子计算机，我们必须在一次计算中不是只做一两次这样的检查和修正，而是做海量次，”罗格斯大学物理学家杰迪迪亚·皮克斯利（Jedediah Pixley）说。“这项实验是这条道路上的一个里程碑。”

扰乱与控制

研究团队使用了一个两阶段系统，既用来引入混沌，又用来随后加以纠正。他们一次连接多达100个量子比特，并设定了两项交替进行的任务：扰乱（scrambling），即让混沌在系统中扩散；以及控制，即在需要时重置量子比特。

“挑战不只是测量一个量子比特，而是在处理器其余部分继续运行的同时反复进行测量，”IBM物理学家高田真香（Maika Takita）说。“这项实验表明，当今的硬件可以在大型系统中协调量子操作、测量和重置数千次。”

一个鲜明的临界点

研究人员调整了扰乱与重置之间的平衡。在近5000次量子比特操作和近5000次检查与重置中，当检查和重置在全部操作中占比超过一半时，有序状态恢复了。随着量子比特增多，数据中的临界点变得更加清晰，这证明了真正的量子相变，就像水整体一致地变成冰那样。

“实验与理论的吻合表明，这并不是小型电路的偶然特征，而是在整个量子系统中涌现的集体行为，”佛罗里达大学的潘海宁（Haining Pan）说。路易斯安那州立大学的贾斯汀·威尔逊（Justin Wilson）补充道：“混沌与控制之间的这种转变在量子物理中是否依然成立并不显而易见，但我们的结果表明它成立。”

作者指出，这种检查与重置方案需要配合更复杂的规则进行扩展，才能在真实的量子计算中派上用场。目前，它可作为对反馈回路的一次压力测试，这些反馈回路能让量子系统有序运行。更多内容请见我们的科技栏目。