量子计算机新突破：实时追踪量子比特的波动

量子比特是量子计算机的基本单元，科学家希望未来它能超越当今最强大的计算机。但量子比特极为敏感，制造它们的材料常含有科学家尚未完全了解的微小缺陷。这些微观缺陷每秒可移动数百次，移动时会改变量子比特的能量损失速度，进而影响宝贵的量子信息。

直到最近，标准测试方法测量量子比特性能需长达一分钟，远慢于捕捉这些快速波动的需求。因此，研究人员只能得出平均能量损失率，掩盖了量子比特真实且常不稳定的行为。这有点像让一匹强壮的耕马犁地，而障碍却以快得让人来不及反应的速度不断出现在它的路径上。这匹马或许有能力，但不可预测的干扰让工作变得困难得多。

FPGA驱动的实时量子比特控制
由博士后研究员Fabrizio Berritta博士领导的尼尔斯·玻尔研究所量子器件中心和诺和诺德基金会量子计算项目的研究团队，开发了一种实时自适应测量系统，能实时追踪量子比特能量损失（弛豫）率的变化。该项目还与挪威科技大学、莱顿大学和查尔姆斯大学的科学家合作完成。

这种新方法依赖于一个快速的经典控制器，能在毫秒内更新对量子比特弛豫率的估计。这与波动本身的自然速度相匹配，而不像旧方法那样滞后数秒或数分钟。

为实现这一点，团队使用了现场可编程门阵列（FPGA）——一种专为极快速操作设计的经典处理器。通过直接在FPGA上运行实验，只需几次测量就能快速生成量子比特能量损失速度的“最佳猜测”，省去了向传统计算机进行较慢数据传输的步骤。

为这类专门任务编程FPGA颇具挑战。尽管如此，研究人员成功在每次量子比特测量后更新控制器内部的贝叶斯模型，使系统能实时不断完善对量子比特状态的理解。

结果，控制器现在能跟上量子比特不断变化的环境。测量和调整与波动本身几乎在同一时间尺度上进行，系统速度比之前的演示快约百倍。

这项研究还揭示了新发现：科学家此前并不清楚超导量子比特的波动发生得有多快，而这些实验提供了这一见解。

商用量子硬件与先进控制的结合
FPGA在其他科学和工程领域早已应用。在本研究中，研究人员使用了量子机器公司（Quantum Machines）的商用FPGA控制器OPX1000。该系统可用类似Python的语言编程（许多物理学家已在使用Python），这使其更容易被全球研究团队采用。

该控制器与先进量子硬件的集成，得益于尼尔斯·玻尔研究所Morten Kjaergaard副教授领导的研究小组与查尔姆斯大学（量子处理单元的设计和制造地）的密切合作。“该控制器实现了逻辑、测量和前馈之间的紧密集成：正是这些组件使我们的实验成为可能，”Morten Kjærgaard说。

为何实时校准对量子计算机至关重要
量子技术有望带来强大的新能力，尽管实用的大规模量子计算机仍在研发中。进步通常是渐进的，但偶尔也会出现重大突破。

通过揭示这些此前隐藏的动态，研究结果改变了科学家对超导量子处理器测试和校准的看法。在当前材料和制造方法下，转向实时监测和调整似乎对提高可靠性至关重要。研究结果还强调了学术研究与 industry合作以及创造性利用现有技术的重要性。

“如今，在量子处理单元中，整体性能不是由最好的量子比特决定，而是由最差的决定：这些正是我们需要关注的。我们研究的惊喜之处在于，一个‘好’的量子比特可能在几分之一秒内变成‘坏’的，而不是几分钟或几小时。”

“借助我们的算法，快速控制硬件基本能实时确定哪个量子比特是‘好’是‘坏’。我们还能在几秒钟内（而非几小时或几天）收集到关于‘坏’量子比特的有用统计数据。”

“我们仍无法解释观察到的大部分波动。理解并控制量子比特特性波动背后的物理机制，对于将量子处理器扩展到有用规模是必要的，”Fabrizio说。