- 研究團隊透過診斷檢查將量子計算錯誤率降低了 54%。
- 量子位的性能波動主要源於晶片內部的微觀缺陷。
- 新方法引入實時反饋，提升量子位的穩定性。
- 商用量子計算機需大量量子位協同運作以維持保真度。
物理學家找到了一種簡單的方法，以防止量子計算機失去調諧。通過在運行計算之前添加一個診斷檢查，國際研究團隊將處理錯誤降低了 54%。這一技術發表在《應用物理評論》上，解決了現代量子工程中最大的瓶頸之一：量子位（qubits）的極端物理脆弱性。與作為標準二進制開關來處理數據的傳統計算機晶片不同，量子處理器依賴於受量子物理控制的物理電路。在一項新的研究中，團隊這次在晶片上測試了一個超導電路，並通過超精確的微波脈衝來引導系統。
實驗在以色列量子計算中心進行，研究員 Fabrizio Berritta 從麻省理工學院遠程操作硬件。
在未進行調整的測試中，團隊觀察到量子位操作隨時間出現顯著的性能波動。造成這種情況的罪魁禍首是晶片內部的微觀缺陷。材料缺陷導致電路的共振頻率在兩個不同狀態之間跳動。這一頻率決定了編程處理器所需的精確微波信號。研究人員在一份新聞稿中表示：「可以將這視為一種樂器。如果樂器稍微走音，則相同的動作將不再準確地產生預期的音符。」如果頻率無預警地變化，進來的脈衝將無法命中目標。
雖然電路仍然可以運行，但計算將失敗。以往的實驗可以識別這種變化，但在進行主動計算時無法修正。
新方法的實時反饋機制
新方法引入了實時反饋。在每次計算運行之前，系統會簡要準備量子位並跟蹤其行為。由於每個頻率狀態都有顯著的標記，系統能立即識別量子位所處的通道。控制計算機隨後會重新瞄準微波脈衝，以匹配該頻率，然後運行邏輯閘。自動調整帶來了立即的穩定性。在基準測試中，量子位的平均錯誤率從 0.14% 降低至 0.065%。在峯值幹擾期間，錯誤率下降了多達 77%。目前該方法仍需提前瞭解兩種頻率選項，量子位還必須在該狀態下保持足夠長的時間，以便調整的微波信號到達。
然而，首席研究員 Ferdinand Kuemmeth 是雷根斯堡大學及哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所的實驗物理學家，他指出這一技術解決了一個迫在眉睫的工業難題。「從長遠來看，隨著量子材料變得越來越乾淨，將需要同時操作數百萬個幾乎完美的量子位。」Kuemmeth 教授解釋道。他指出，即使是未來最純淨的晶片也將仍然包含散亂的缺陷，而他的實驗室已經設計了自動化工具來檢測未知的頻率跳變。
未來量子計算的挑戰
商用量子計算機將需要大量的量子位協同工作，且不會失去保真度。研究人員相信，通過將自我修正的反饋直接構建到硬件控制線中，未來的量子處理器最終可以在大規模下可靠運行。Kuemmeth 表示：「我堅信，在即將到來的量子計算擴展時代，我們的方法將變得非常有價值，並對量子計算機的實際計算能力產生顯著影響。」
量子計算的穩定性與未來發展
量子計算的發展面臨著量子位脆弱性帶來的挑戰，尤其是微觀缺陷導致的性能波動。這項新技術透過實時反饋來改善量子位的穩定性，顯示出在量子計算領域中自動化和即時調整的重要性。隨著量子材料的進步，未來的量子計算機將需要同時操作大量量子位，這對於實現商業化應用至關重要。研究人員的努力不僅解決了當前的技術瓶頸，也為量子計算的長期發展奠定了基礎。