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原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260219040756.htm
原文作者：University of Copenhagen
量子计算机取得突破：实时追踪量子比特的波动
研究人员在尼尔斯·玻尔研究所（NBI）开发了一种实时监测系统，能够以比以往快约100倍的速度追踪量子比特（qubit）的性能波动。这项技术有望为稳定和扩展未来的量子处理器提供新路径。
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的研究人员极大地提高了在量子比特内部检测精细量子态变化的速度。通过结合市售硬件和新的自适应测量技术，该团队现在能够观察到以前无法看到的量子比特行为的快速变化。
量子比特是量子计算机的基本单元，科学家们希望量子计算机在未来能超越当今最强大的计算机器。然而，量子比特极其敏感。用于制造它们的材料通常包含微小的缺陷，这些缺陷的性质科学家们仍未完全理解。这些微小的缺陷可能每秒移动数百次。随着它们的移动，它们会改变量子比特能量损失的速度，以及宝贵的量子信息。
直到最近，标准的测试方法需要长达一分钟的时间来测量量子比特的性能。这对于捕捉这些快速波动来说太慢了。因此，研究人员只能确定一个平均能量损失率，从而掩盖了量子比特的真实且不稳定的行为。
这有点像让一匹强壮的骏马拉着犁耕地，而障碍物不断地出现在它面前，速度之快，以至于无法做出反应。这匹马也许有能力，但不可预测的中断让工作变得更加困难。
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，来自尼尔斯·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，开发了一个实时自适应测量系统，可以实时追踪量子比特能量损失（弛豫）率的变化。该项目涉及与挪威科技大学、莱顿大学和查尔姆斯大学的科学家合作。
新方法依赖于一个快速的经典控制器，该控制器在毫秒内更新其对量子比特弛豫率的估计。这与波动本身的速度相匹配，而不是像旧方法那样滞后几秒钟或几分钟。
为了实现这一点，该团队使用了一种名为现场可编程门阵列（FPGA）的经典处理器，它专为极快的操作而设计。通过直接在 FPGA 上运行实验，他们可以使用少量测量值快速生成量子比特能量损失速度的“最佳猜测”。这消除了向传统计算机进行较慢数据传输的需要。
为此类专业任务编程 FPGA 可能具有挑战性。即便如此，研究人员还是成功地在每次量子比特测量后更新了控制器的内部贝叶斯模型。这使得系统能够实时不断地优化其对量子比特状态的理解。
因此，控制器现在可以跟上量子比特不断变化的环境。测量和调整发生的时间尺度几乎与波动本身相同，这使得该系统比以前演示的方法快了大约一百倍。
这项工作还揭示了一些新发现。科学家们以前不知道超导量子比特中的波动发生得有多快。现在的实验提供了这一见解。
商用量子硬件与先进控制相结合
FPGA 在其他科学和工程领域已被使用多年。在此案例中，研究人员使用了 Quantum Machines 公司一款名为 OPX1000 的商用 FPGA 控制器。该系统可以使用一种类似于 Python 的语言进行编程，而许多物理学家已经在使用这种语言，这使得全球的研究团队更容易使用。
这种控制器与先进量子硬件的集成，得益于由副教授 Morten Kjaergaard 领导的尼尔斯·玻尔研究所研究小组与查尔姆斯大学之间的密切合作，后者设计和制造了量子处理单元。Morten Kjærgaard 表示：“该控制器实现了逻辑、测量和前馈之间的非常紧密的集成：这些组件使我们的实验成为可能。”
实时校准对量子计算机的重要性
量子技术带来了强大的新功能，尽管实用的、大规模的量子计算机仍在开发中。进展通常是渐进式的，但偶尔也会出现重大飞跃。
通过揭示这些以前隐藏的动力学，这些发现重塑了科学家们对测试和校准超导量子处理器的看法。对于当前的材料和制造方法而言，朝着实时监控和调整迈进，对于提高可靠性至关重要。研究结果还强调了学术研究与行业之间合作的重要性，以及对可用技术的创造性运用。
“如今，在量子处理单元总体上，整体性能不是由最好的量子比特决定的，而是由最差的量子比特决定的：这些是我们应该关注的。我们的工作令人惊讶的是，一个‘好的’量子比特可以在几分之一秒内变成一个‘坏’的量子比特，而不是几分钟或几小时。
“通过我们的算法，快速控制硬件基本上可以实时精确定位哪个量子比特是‘好的’或‘坏的’。我们还可以在几秒钟而不是几小时或几天内收集关于‘坏’量子比特的有用统计数据。
Fabrizio 表示：“我们仍然无法解释我们观察到的很大一部分波动。理解和控制这种量子比特性质波动的物理学，对于将量子处理器扩展到可用规模是必要的。”
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