量子計算機從混沌走向有序獲驗證

據最新一期《自然·物理學》雜誌報道，美國羅格斯大學、IBM公司等機構的科學家在一台擁有156個量子比特的處理器上，演示了量子計算機在運行過程中反復檢查和重置部分量子比特的能力，使系統從混沌狀態轉向可控的有序狀態。這是迄今規模最大的實時量子反饋控制實驗之一。這項實驗是通往容錯量子計算道路上的一個重要里程碑，表明相關研究又向前邁進了一步，為構建更大規模、更可靠的容錯量子計算機提供了實驗依據。

　　量子計算機使用量子比特存儲和處理信息。與傳統計算機的比特只能取0或1不同，量子比特可以處於疊加態，在測量前保有多種可能性。這一特性賦予量子計算機強大的計算潛力，但也使其容易受到熱量、電磁信號和硬體缺陷等因素的干擾，導致計算錯誤不斷累積。

　　要實現容錯量子計算，計算機必須在運行過程中反復檢測並糾正錯誤，同時盡可能保留量子信息。目前，科學家尚未製造出真正的容錯量子計算機。實時反饋控制被認為是實現這一目標的關鍵技術之一。

　　此次，研究團隊在一台IBM Quantum Heron處理器上開展實驗，選取最多包含100個相互連接量子比特的系統，讓其交替執行兩項任務。一項任務在相鄰量子比特之間混合信息，使系統逐漸陷入混沌。另一項任務則是反復檢查量子比特，並將其重置為指定狀態，以恢復系統的有序性。

　　實驗中，團隊執行了近5000次雙量子比特操作，並進行了近5000次檢查與重置操作。通過調節兩項任務的執行頻率，他們發現，當信息混合操作佔據主導時，系統維持混沌狀態。當檢查與重置更加頻繁時，系統則轉向能夠控制的有序狀態。當兩項任務的執行頻率接近各佔一半時，微小的頻率變化就可能引發系統狀態的突然轉變，這種現象被稱為“相變”。

　　團隊解釋道，微小變化可能帶來巨大且幾乎無法預測的後果，就像經典的“蝴蝶效應”一般。但實驗表明，通過隨機干預，量子系統中的混沌行為也能得到控制，而且從混沌轉向有序存在一個明確的臨界頻率。

　　這項實驗表明，現有量子硬體已經能夠在較大規模的系統中協調量子操作、測量和重置，並將這一過程重復數千次。不過，實現真正的容錯量子計算仍需持續、可靠地檢測和糾正計算過程中的錯誤。