探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下這個場景：

你有一匹值得信賴的耕田好馬，正埋頭拉著犁。

突然，有人以極快的速度在田里扔滿了移動的樹枝和石塊。

犁手根本來不及反應(yīng)，牲口也躲閃不及。

結(jié)果可想而知，地沒耕好，收成也砸了。

這就是超導(dǎo)量子計算機(jī)當(dāng)前面臨的真實困境。那匹任勞任怨的“馬”，就是量子比特（qubit）。而那些高速移動的“路障”，則是材料中瞬息萬變的微觀缺陷。

不過，哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所的科學(xué)家們，剛剛找到了一個絕妙的辦法，能以比從前快上百倍的速度，把這些“搗亂分子”實時揪出來。

這項于2026年2月22日發(fā)表在《物理評論X》上的成果，可能正在改寫量子計算的發(fā)展節(jié)奏。

超導(dǎo)量子比特很脆弱。

它賴以生存的芯片材料里，藏著無數(shù)微小的缺陷，科學(xué)家稱之為“二能級系統(tǒng)”。這些缺陷的位置和狀態(tài)，會像閃電一樣極速跳動，每秒可達(dá)數(shù)百次。

這就帶來了一個棘手的問題。

每當(dāng)一個缺陷跳動，量子比特?fù)p失能量的速度（也就是弛豫率）就會跟著改變。而量子信息，恰恰就存儲在比特的激發(fā)態(tài)里。能量跑得越快，信息丟得越早。

以前的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，測一次需要好幾分鐘。這就像用快門速度幾秒的老相機(jī)，去抓拍蜂鳥振翅，結(jié)果只能得到一團(tuán)模糊的殘影。

科學(xué)家們過去測得的，只是一個平均的“壞境水平”，根本看不清那一個個瞬間發(fā)生的“壞動作”。

結(jié)果就是，你以為一個“好比特”能穩(wěn)定工作，實際上，它在幾百分之一秒內(nèi)，已經(jīng)反復(fù)變“壞”了很多次，而你完全不知道。

現(xiàn)在，尼爾斯·玻爾研究所的Fabrizio Berritta博士及其團(tuán)隊，成功解決了這個問題。

他們使用了一種叫做“現(xiàn)場可編程門陣列”的高速經(jīng)典控制器，并運(yùn)行了一套精巧的實時自適應(yīng)測量協(xié)議。這套系統(tǒng)的核心在于：

反應(yīng)快。傳統(tǒng)的控制流程需要把數(shù)據(jù)發(fā)給普通計算機(jī)，等它算完再發(fā)回來，一來一回就是好幾秒。FPGA可以直接在硬件上運(yùn)行實驗，基于極少的幾次測量，就能實時更新對量子比特弛豫率的“最佳猜測”。

會學(xué)習(xí)。控制器內(nèi)建了一個貝葉斯模型，每一次測量后，它都會更新自己的“認(rèn)知”。這讓系統(tǒng)能最高效地持續(xù)追蹤比特狀態(tài)的變化，整個更新過程只需幾毫秒。

結(jié)果是，這套FPGA控制器的追蹤速度，與量子比特環(huán)境變化的固有速度，首次達(dá)到了同步。檢測速度比以往的任何演示，快了約100倍。

這套系統(tǒng)使用的是Quantum Machines公司提供的OPX1000商用控制器，用類似于Python的代碼就能編程。這為全球物理學(xué)界大規(guī)模使用這項技術(shù)鋪平了道路。

這項突破的意義，遠(yuǎn)不止于“看”得更快。

長期以來，整個量子計算領(lǐng)域都默認(rèn)了一個事實：一個處理器整體的表現(xiàn)，不取決于最好的那些量子比特，而取決于最差的那幾個。

現(xiàn)在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更令人不安的真相：一個“好”比特，可能在不到一秒的時間里，就變成一個“壞”比特。過去以為這種劣化需要幾分鐘甚至幾小時，現(xiàn)在看來，它發(fā)生在轉(zhuǎn)瞬之間。

有了這項新技術(shù)，局面就完全不同了。

實時診斷成為可能?？刂破髂軐崟r鎖定，此刻哪個比特是“好”的，哪個已變“壞”。以往收集“壞比特”的統(tǒng)計信息需要幾小時甚至幾天，現(xiàn)在只需幾秒鐘。

校準(zhǔn)模式即將改變。既然無法在短時間內(nèi)徹底消除材料的微觀缺陷，那至少可以實現(xiàn)實時校準(zhǔn)。當(dāng)比特變“壞”時，系統(tǒng)能立刻知曉，并動態(tài)調(diào)整控制脈沖，繞過或補(bǔ)償這部分錯誤。

伯瑞塔博士坦言，目前他們?nèi)詿o法解釋觀測到的大部分快速波動。但這項研究首次定義了超導(dǎo)量子處理器校準(zhǔn)的全新時間尺度，為后續(xù)研究指明了方向：理解并控制這些快速波動，是未來將量子處理器規(guī)模擴(kuò)展到實用級別的必經(jīng)之路。

當(dāng)我們談?wù)摰湀F(tuán)隊用FPGA“看”清微觀缺陷時，必須把目光拉回到中國。

就在幾個月前，2025年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān)的“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算原型機(jī)，取得了震驚世界的雙重突破。

第一重，是“祖沖之三號”實現(xiàn)了105個可讀取比特和182個耦合比特的高密度集成，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上，速度比全球最快超級計算機(jī)快15個數(shù)量級，再次捍衛(wèi)了量子計算優(yōu)越性。

但真正具有里程碑意義的，是第二重突破：它首次在超導(dǎo)系統(tǒng)中跨越了量子糾錯的“盈虧平衡點(diǎn)”。

簡單來說，過去做量子糾錯，往往越糾越錯。因為糾錯本身需要引入大量輔助操作，會引入新的錯誤，得不償失。而“祖沖之三號”通過精妙的表面碼方案，第一次讓邏輯比特的有效壽命，明確超過了構(gòu)成它的所有物理比特中最短的那個。這意味著，糾錯的“收益”終于大于“成本”，實現(xiàn)了“越糾越對”。

對比來看：

丹麥團(tuán)隊的突破，在于用FPGA技術(shù)以前所未有的速度，實時“看清”了單個或多個比特的性能波動原因，為精準(zhǔn)、實時的校準(zhǔn)提供了工具。

中國團(tuán)隊的突破，在于從系統(tǒng)架構(gòu)和編碼層面，證明了即使存在這些波動和錯誤，我們依然可以用冗余的“團(tuán)隊協(xié)作”（邏輯比特），去保護(hù)最關(guān)鍵的信息。

兩者是并行的、互補(bǔ)的。一個在解決“如何看得更清”，一個在證明“看清之后，我們依然能贏”。北京的量子信息科學(xué)研究院也在2025年9月實現(xiàn)了微波驅(qū)動的高保真度三比特門，在操作層面不斷提升精度。

全球量子計算的競賽，早已不是單一維度的比特數(shù)比拼，而是進(jìn)入了深水區(qū)：比拼對噪聲的理解、比拼糾錯的能力、比拼實時控制的精度。

正如丹麥團(tuán)隊的Kj?rgaard副教授所言：“控制器實現(xiàn)了邏輯、測量和前饋之間的緊密集成，這才讓我們的實驗成為可能?！倍鴮τ谥袊孔佑嬎愣裕白鏇_之三號”跨越盈虧平衡點(diǎn)，同樣標(biāo)志著我們從“證明我能行”的演示階段，正式邁向了“打造可靠機(jī)器”的工程階段。

未來的路還很長，但這一次，我們終于看清了對手（缺陷）的臉，也握住了戰(zhàn)勝它的鑰匙。