2026年10月9日——来自罗格斯大学、IBM 和合作机构的研究人员表明，量子计算机可以在运行过程中检查其内部发生的情况并做出响应，反复重置系统的一部分，以控制混沌行为。这一进展是朝着构建更大、更可靠的量子计算机迈出的关键一步。 

当今的量子计算机按照支配原子和其他极小粒子的奇特规则运行。有朝一日，它们可能解决传统计算机无法企及的问题——设计更好的电池和更清洁的工业催化剂，模拟对当今计算机来说过于复杂的分子和材料，以及运行某些人工智能程序。

在 一项发表于《自然·物理学》的 研究中，来自罗格斯大学、国际商业机器公司（IBM）和合作机构的研究人员表明，量子计算机可以在运行过程中反复检查和重置自身的一部分。该实验是迄今为止实时量子反馈控制的最大规模演示之一，这种能力被认为对未来将具备容错能力的量子计算机至关重要。 

扩展量子计算机的规模将要求它们在运行时识别并纠正错误，这种能力被称为纠错，它将使构建容错量子计算机成为可能。容错量子计算机是一种即使其各个量子比特不断出现小错误，也能持续正确计算的量子计算机。目前还没有人建造出这样的设备。

“要构建一台容错量子计算机，我们必须在一次计算过程中进行这些检查和纠正，不是一两次，而是海量次数，”罗格斯大学艺术与科学学院物理与天文学系教授、材料理论中心主任 Jedediah Pixley 说。

“这项实验是这条道路上的一个里程碑，”Pixley 说。他同时也是纽约西蒙斯基金会（Simons Foundation）旗下科研机构 Flatiron Institute 的成员，并且是该研究的资深作者之一。“它表明，‘好吧，我们已经朝着实现这一目标迈出了重要一步。’”

这项工作还证实了一个关于量子行为的预测。随着研究人员提高计算机检查和重置其被称为量子比特的基本信息存储单元的频率，系统突然从混沌转变为一种他们可以控制的状态，显示出秩序如何能从无序中产生。

传统计算机将信息存储在比特中，每个比特要么是 0，要么是 1。量子计算机使用量子比特，而量子比特可以处于叠加态。这意味着在测量之前，它们保持在 0 和 1 之间的多种可能性；测量时，每个量子比特会产生其中一种结果。 

这些特性赋予了量子计算机潜在的能力，但也使其携带的信息极其敏感。热量、杂散电磁信号、不完美的控制脉冲以及硬件中的微小缺陷都可能改变量子比特的状态。随着时间推移，由此产生的错误会不断累积，直到计算结果不再可信。

“挑战不只是测量一个量子比特，而是在处理器其余部分继续运行的同时反复进行测量，”该研究的另一位资深作者、IBM 量子纠错与动态电路实验首席研究科学家 Maika Takita 说。“这项实验表明，当今的硬件可以在一个大型系统中数千次协调量子操作、测量和重置。”

与普通计算机数据不同，量子信息不能简单复制。而且测量它可能会改变或破坏正在使用的状态。容错机器必须反复检测并纠正错误，同时不丢失这些信息。

研究人员在一台 156 量子比特的 IBM Quantum Heron 处理器上进行了这项实验，这是世界上最强大的量子处理器之一，并选择了由多达 100 个量子比特组成的一条连通链。

他们将系统编程为在两个相互竞争的任务之间交替进行。

第一个任务的作用类似扰码器：它在相邻量子比特之间混合信息，使混沌在系统中扩散。这个过程类似于反复洗一副牌。每洗一次，原始顺序就变得更难辨认。

第二个任务则起到一种控制作用：计算机检查单个量子比特，并在必要时重置它们。只要重复得足够频繁，这些重置就会将系统推向研究人员选定的简单、有序状态。

总体而言，该团队执行了近 5,000 次连接成对量子比特的操作，以及近 5,000 次检查和重置。据研究人员称，这是迄今为止该方法最大规模的成功演示。 

研究人员控制了计算机执行每项任务的频率。通过改变这种平衡，他们可以观察究竟是扰码还是重置会占上风。

当扰码发生的频率超过一半时，混沌胜出，系统保持混沌。当检查和重置发生得更频繁时，控制胜出，研究人员能够将量子比特引导向他们想要的有序状态。

当两者大约各占一半时，哪项任务发生得更频繁这一点的微小变化，都会突然改变整个系统。物理学家将这种剧烈转变称为相变，就像水结成冰一样。在这里，量子比特共同从混沌行为转变为研究人员可以控制的状态。

“微小的变化可能导致巨大且几乎无法预测的后果，就像经典说法那样：一只蝴蝶在非洲扇动翅膀，最终可能促成一场飓风袭击路易斯安那州，”路易斯安那州立大学物理学副教授、该研究共同作者 Justin Wilson 说。“但这种失控行为可以通过随机干预得到控制，而且发生这种情况的速率有明确的界定。这种混沌与控制之间的转变是否会在量子物理中成立并不显而易见，但我们的结果表明它确实成立。”

这个项目始于 2021 年 Pixley 妻子的一场生日派对上的一次友好打赌，当时他仍在罗格斯大学，并住在新泽西州 Highland Park。他长期以来的合作者 Sriram Ganeshan 打赌说，一种令人困惑的量子效应在普通物理中有对应物，这促使该团队提出了一种关于控制量子混沌的新理论。随后，与 IBM 物理学家 Barbara Jones 的一次偶然交谈帮助将该理论变成了一项实验。Pixley 输掉了打赌，并用两勺蓝莓冰淇淋付清——当时 Ganeshan 和其他人在科罗拉多州阿斯彭的阿斯彭物理中心与他会合。

IBM 处理器使研究人员能够在多达 100 个量子比特的系统上测试他们的理论，远远超过他们在传统计算机上能够模拟的约二十多个量子比特，而且结果与他们的预测密切吻合。 

“引人注目的是，随着我们研究更大的系统，这种转变变得更加清晰明确，”研究进行时是罗格斯大学博士后研究员、共同第一作者 Haining Pan 说。“实验与理论之间的一致表明，这不是小电路的偶然特征。这是在整个量子系统中涌现出的集体行为。”

除罗格斯大学和 IBM 外，纽约市立学院、纽约市立大学研究生中心、爱荷华州立大学、埃姆斯国家实验室、宾夕法尼亚州立大学和路易斯安那州立大学的研究人员也为该研究做出了贡献。