2026年3月24日——大规模量子计算机已蓄势待发。目前尚未实现的主要原因是量子硬件存在严重的噪声问题。

这种噪声并非剧院里需要“嘘”声制止的喧哗。在计算机领域，噪声意味着非理想条件下产生的运算错误。

“我们必须找到检测并纠正这些错误的方法，”研究生埃万杰洛斯·皮利乌拉斯表示。他与物理学家埃德·巴恩斯合作开发了一种降低噪声、增强量子计算机抗噪能力的技术，相关成果上月发表于《自然》合作期刊《量子信息》。

即使在传统计算机中，噪声也会造成实际影响。传统计算机使用称为比特的电信号流（代表构成二进制代码的1和0），噪声可能导致0误转为1，例如造成信用卡交易失败。

量子计算机使用量子比特（qubit），通常是电子或光子等亚原子粒子，能同时呈现1和0的多种叠加状态。

这种同时占据多重状态的现象称为“量子叠加态”，赋予量子计算机强大算力。但维持这种状态犹如走钢丝般危险。

研究人员使用电磁脉冲（如精密激光或微波束）使量子比特进入叠加态。但即便最微小的噪声——轻微振动或温度变化——都可能导致量子比特像初学芭蕾的舞者般失去平衡，脱离叠加态。

为保持量子比特稳定，研究团队在超低温冰箱和真空舱中竭力隔离外界干扰。他们尝试过各种新材料和设备来降低噪声，但硬件改进存在物理极限。

于是他们另辟蹊径：过去几十年间，物理学家发现通过优化电磁脉冲波形（用于激发量子比特叠加态），可显著降低错误率。

这项被称为“量子控制”的技术具有无限可调性——通过调整脉冲的持续时间、频率和强度，既能改变量子比特状态，又可执行不同运算。

“量子控制的矛盾在于：达成目标的方法无穷无尽，但没人告诉你最佳路径，”皮利乌拉斯解释道。

多年以来，学界认为量子控制存在固有矛盾：针对特定量子运算设计的完美脉冲，往往伴随严重噪声。

巴恩斯、皮利乌拉斯及其团队的突破在于：他们建立了一个将脉冲波形描述为隐几何结构投影的框架——如同墙面上的三维物体阴影。在量子物理领域，这种视角被称为“量子几何”。

这种隐形几何的曲率和棱角能像舞蹈编排般决定脉冲参数。弗吉尼亚理工团队意识到，只需调整三维空间曲线的形状，就能设计出抑制噪声的脉冲。

“当我们用几何语言表述噪声抑制条件时，其简洁优雅的程度屡次令我们惊叹，”巴恩斯表示。

技术完善后，该团队与弗吉尼亚理工另一位研究生希沙姆·阿梅尔合作，通过在IBM量子计算机硬件上实验验证了该方法的有效性。

随着性能的不断提升，人类距离大规模量子计算的时代正日益临近。