量子计算机实现自我修正技术，成功运用 100 个量子比特进行持续计算

研究人员展示了量子计算机如何在计算持续进行的同时，不断测量和重置其量子比特，从而帮助驾驭处理器内部的混沌行为。这项实验使用了多达 100 个量子比特，展示了一种关键技术，旨在开发更可靠的量子计算机。研究团队包括来自罗格斯大学、IBM 以及多个合作机构的科学家。他们的研究结果发表在《自然物理学》期刊上，并揭示了混沌与可控量子行为之间的明显转变。

量子计算机的独特挑战

重置量子比特以恢复秩序 量子计算机的信息处理方式与传统计算机不同。其量子比特可以处于多种状态的叠加中，赋予其能力，这是传统比特无法直接复制的。然而，这些脆弱的状态可能会因与环境的相互作用和硬件的缺陷而恶化。在计算过程中，错误会不断累积，最终使结果变得不可靠。因此，研究人员必须开发系统，能在计算持续进行的同时检测和修正这些错误。这种方法被称为量子错误纠正，形成容错量子计算的基础。

该团队使用一台拥有 156 个量子比特的 IBM Quantum Heron 处理器进行了测试。研究人员选择了一条连接链，包含多达 100 个量子比特，用于实验。他们交替进行两种相互竞争的过程。一个过程使相邻的量子比特之间的信息混乱，扩散系统内的无序；另一个过程则不断测量个别量子比特并将其重置至预定状态。这次实验涉及近 5,000 次双量子比特操作及近 5,000 次测量和重置循环，这使研究人员能够调查重复干预如何抵消混乱过程。

混沌的明显变化 研究人员调整了每个过程的频率，以确定哪种行为主导。在混乱过程发生得较频繁时，系统保持混沌状态。相反，当测量和重置过程频繁发生时，系统则朝向有序、可控的状态推进。最显著的变化发生在两个过程之间接近 50-50 的平衡处。相对频率的微小调整可能会引发整个系统的剧烈变化。物理学家将这一现象称为相变，描述系统行为的集体变化，类似于水结冰的过程。

随机干预的影响

路易斯安那州立大学的物理学副教授及研究共同作者贾斯廷·威尔逊解释，随机干预能够抑制原本不可预测的行为。研究人员还发现，这种转变在量子系统中持续存在，其生存性仍然不确定。研究结果与理论预测相符。当研究人员检查更大系统时，这一转变的定义愈加明确，表明该效应超越了小型实验电路。 迈向容错计算 实时反馈将有助于未来的量子处理器在延长计算过程中管理错误。

容错机器必须重复进行这些操作多次，而不会破坏其处理的信息。IBM 研究员高田舞香表示，该实验在一个大型系统中协调了量子操作、测量和重置数千次。她将这一能力描述为迈向实际错误纠正的重要一步。该团队还测试了其无法通过传统计算机模拟的更大系统。这一比较增强了对理论解释的信心。来自纽约城市学院、爱荷华州立大学、宾夕法尼亚州立大学及其他机构的研究人员也对这项工作作出了贡献。

此次演示并未建立一台完全容错的量子计算机，但显示当前硬件可以在操作持续进行的同时，重复介入量子系统，将可扩展的量子计算推向一个中心工程目标。

量子计算向容错迈进的重要一步

量子计算机的发展面临着信息处理的独特挑战，尤其是量子比特的脆弱性。这项研究展示了如何通过持续的测量和重置来管理错误，为量子错误纠正奠定基础。随着实验中调整过程频率的发现，研究人员能够控制系统行为，这对未来量子计算的容错能力至关重要。尽管此次演示尚未实现完全容错，但已显示出量子计算的可扩展性，为未来的量子技术发展提供了新的希望。