量子計算機實現自我修正技術，成功運用 100 個量子比特進行持續計算

研究人員展示了量子計算機如何在計算持續進行的同時，不斷測量和重置其量子比特，從而幫助駕馭處理器內部的混沌行為。這項實驗使用了多達 100 個量子比特，展示了一種關鍵技術，旨在開發更可靠的量子計算機。研究團隊包括來自羅格斯大學、IBM 以及多個合作機構的科學家。他們的研究結果發表在《自然物理學》期刊上，並揭示了混沌與可控量子行為之間的明顯轉變。

量子計算機的獨特挑戰

重置量子比特以恢復秩序 量子計算機的資訊處理方式與傳統計算機不同。其量子比特可以處於多種狀態的疊加中，賦予其能力，這是傳統位元無法直接複製的。然而，這些脆弱的狀態可能會因與環境的互動和硬件的缺陷而惡化。在計算過程中，錯誤會不斷累積，最終使結果變得不可靠。因此，研究人員必須開發系統，能在計算持續進行的同時檢測和修正這些錯誤。這一方法被稱為量子錯誤更正，形成容錯量子計算的基礎。

該團隊使用一台擁有 156 個量子比特的 IBM Quantum Heron 處理器進行了測試。研究人員選擇了一條連接鏈，包含多達 100 個量子比特，用於實驗。他們交替進行兩種相互競爭的過程。一個過程使相鄰的量子比特之間的資訊混亂，擴散系統內的無序；另一個過程則不斷測量個別量子比特並將其重置至預定狀態。這次實驗涉及近 5,000 次雙量子比特操作及近 5,000 次測量和重置循環，這使研究人員能夠調查重複幹預如何抵消混亂過程。

混沌的明顯變化 研究人員調整了每個過程的頻率，以確定哪種行為主導。在混亂過程發生得較頻繁時，系統保持混沌狀態。相反，當測量和重置過程頻繁發生時，系統則朝著有序、可控的狀態推進。最顯著的變化發生在兩個過程之間接近 50-50 的平衡處。相對頻率的微小調整可能會引發整個系統的劇烈變化。物理學家將這一現象稱為相變，描述系統行為的集體變化，類似於水結冰的過程。

隨機幹預的影響

路易斯安那州立大學的物理學副教授及研究共同作者賈斯廷·威爾遜解釋，隨機幹預能夠抑制本來不可預測的行為。研究人員還發現，這種轉變在量子系統中持續存在，其生存性仍然不確定。研究結果與理論預測相符。當研究人員檢查更大系統時，這一轉變的定義愈加明確，表明該效應超越了小型實驗電路。 邁向容錯計算 實時反饋將有助於未來的量子處理器在延長計算過程中管理錯誤。

容錯機器必須重複進行這些操作多次，而不會破壞其處理的資訊。IBM 研究員高田舞香表示，該實驗在一個大型系統中協調了量子操作、測量和重置數千次。她將這一能力描述為朝著實際錯誤更正邁出的重要一步。該團隊還測試了其無法通過傳統計算機模擬的更大系統。這一比較增強了對理論解釋的信心。來自紐約城市學院、愛荷華州立大學、賓州州立大學及其他機構的研究人員也對這項工作作出了貢獻。

此次演示並未建立一台完全容錯的量子計算機，但顯示當前硬件可以在操作持續進行的同時，重複介入量子系統，將可擴展的量子計算推向一個中心工程目標。

量子計算向容錯邁進的重要一步

量子計算機的發展面臨著資訊處理的獨特挑戰，尤其是量子比特的脆弱性。這項研究展示了如何通過持續的測量和重置來管理錯誤，為量子錯誤更正奠定基礎。隨著實驗中調整過程頻率的發現，研究人員能夠控制系統行為，這對未來量子計算的容錯能力至關重要。儘管此次演示尚未實現完全容錯，但已顯示出量子計算的可擴展性，為未來的量子技術發展提供了新的希望。