Rutgers 与 IBM 报告在 100 个量子比特上实现实时反馈控制

Rutgers、IBM 及其合作机构的研究人员使用一枚 156 量子比特 Heron 芯片，演示了在多达 100 个量子比特上进行重复测量与复位。

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Rutgers、IBM 及多家合作机构的研究人员表示，他们已经演示了在多达 100 个量子比特上进行实时量子反馈：在处理器持续运行的同时，反复执行测量和复位。根据公告，这项工作是在一枚 156 量子比特的 IBM Quantum Heron 处理器上完成的，相关研究发表于 Nature Physics。这一结果回应了容错量子计算的一项核心要求：能够在不中断计算的情况下监测系统的一部分，并反复进行干预。

公布了什么

团队表示，他们在 IBM 的 Heron 硬件上使用了一条由最多 100 个量子比特构成的连通链，用来测试量子处理器是否能够实时在两种行为之间切换：一种是在相邻量子比特之间扰乱信息，另一种是通过测量并复位单个量子比特来抑制这种扰乱。

报告称，整个实验总共涉及近 5,000 次双量子比特操作，以及近 5,000 次测量和复位。研究人员将其描述为迄今为止这类基于反馈控制的最大规模成功演示。

Rutgers 教授 Jedediah Pixley 是论文的资深作者之一，他表示，要实现容错，量子计算领域需要在一次计算过程中多次执行此类检查和纠错。IBM 资深作者 Maika Takita 表示，挑战在于能够在处理器其余部分继续运行的同时反复进行测量，而不是暂停整个系统。

技术细节

这项实验构建了两个过程之间的竞争。一个过程是在相邻量子比特之间扩散信息，形成越来越混沌的动力学。另一个过程则是测量选定的量子比特并将其复位，从而把系统推向研究人员所选择的一种有序状态。

通过改变这两个过程发生的频率，团队观察到一种阈值行为。当扰乱过程发生的时间超过一半时，系统保持混沌；当检查和复位占主导时，系统进入一种可控的有序状态。在两者接近平衡时，只要这两个过程的速率发生轻微变化，系统状态就会突然改变。

研究人员表示，这种突变符合相变图景：量子系统会以集体方式从混沌切换到受控状态。共同第一作者 Haining Pan 表示，随着团队研究更大的系统，这种转变的界限变得更加清晰，实验数据也与理论预期一致。

报告还指出了这一结果对纠错的重要意义。量子信息不能被简单复制，而测量又可能扰动正在计算的量子态。因此，一台实用的容错机器必须能够在保留已编码信息的同时，反复检测并纠正错误。

为什么重要

公告将这一结果定位为既是一项物理学演示，也是一项系统工程里程碑。在物理学层面，它支持了一项理论预测：反复干预可以驱动系统从不受控的量子动力学转变为有序且可控的状态。在硬件层面，它表明当今的超导硬件已经能够在大型设备上数千次协调量子门、测量和复位操作。

但这并不意味着容错量子计算已经实现。报告明确指出，目前仍无人建成容错量子计算机。不过，能够大规模执行重复的测量—复位循环，是这类系统所必需的操作要素之一。

接下来值得关注什么

下一个问题是，这类技术将如何从受控的物理实验转化为完整的纠错协议。该研究表明，IBM 的动态电路能力可以在大型量子比特子集上维持长序列的交错操作，这对未来逻辑量子比特演示具有相关意义。

此次合作包括来自 Rutgers、IBM、the City College of New York、the CUNY Graduate Center、Iowa State University、Ames National Laboratory、Pennsylvania State University 和 Louisiana State University 的研究人员。正如公告所述，这枚处理器使团队能够研究远大于他们在传统计算机上可模拟规模（约两个量子比特十几个）的系统。