量子计算机可以在许多任务上胜过经典计算机，但前提是量子计算中出现的不可避免的错误是孤立的，而不是普遍存在的事件。

最近，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发现了超导量子计算芯片中错误的相关证据，突现了在寻求容错量子计算机时必须承认和解决的一个问题。该团队在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中报告了他们的发现。重要的是，该工作还指出了错误的缓解策略。

该研究的资深作者、威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授Robert McDermott说：“我认为人们一直在以一种过于乐观的方式处理纠错问题，盲目假设错误是不相关的……我们的实验证明错误是绝对相关的，但随着我们发现问题并形成深入的物理理解，我们将找到解决这些问题的方法。”

经典计算机中的比特可以是0或1，但量子计算机中的量子比特可以是0、1或0和1的任意混合叠加。经典比特只能构成比特翻转错误，例如1错误翻转为0。然后，量子比特可以产生两种类型的错误，位翻转或相位翻转，其中的量子叠加态发生变化。

为了修复错误，计算机必须在错误发生时对其进行监测。但量子物理定律说在一个量子比特中一次只能监测一种错误类型，因此科学家提出了一种称为表面编码的巧妙纠错协议。表面编码涉及大量连接的量子比特，一些用于进行逻辑计算，而另一些则被用来监测并推断逻辑量子比特中的错误。然而，只有当导致错误的时间被隔离，最多影响几个量子比特时，表面编码协议才能可靠的工作。

在早期的实验中，McDermott小组已经看到的一些迹象表明某些东西正导致多个量子比特同时翻转。在这项新研究中，他们要解决的问题是：这些翻转是独立的还是相关的事件？

该研究团队设计了一种由超导元素铌和铝制成的具有四个量子比特的芯片。科学家们将芯片冷却到几乎接近绝对零度的温度，这使其具有超导性并能保护其免受来自外部环境的错误干扰。为了评估量子比特翻转是否相关，研究人员测量了四个量子比特所有的偏移电荷波动。偏移电荷波动实际上是量子比特电场发生变化。

该团队观察到它们长期处于相对稳定，但后面偏移电荷突然跳跃。两个量子比特靠得越近，它们同时跳跃的可能性就越大。这些突然的变化很可能是由实验室中的宇宙射线或背景辐射引起的，它们都释放了带电粒子。当这些粒子之一撞击到芯片时，它就会释放影响附近量子比特的电荷。

通过进行简单的设计更改，可以轻松减少这种布局影响。更大的担忧是接下来会发生什么。

该研究的主要作者、威斯康星大学麦迪逊分校的研究生Chris Wilen说：“如果我们关于粒子撞击的模型是正确的，那么我们预计大部分能量会转化为能在芯片中长距离传播的震动。随着能量的传播，干扰将导致整个芯片相关的量子比特翻转。”

在他们的下一组实验中，他们测量了一个量子比特中的电荷跳跃。就像早期的实验一样，然后用这些跳跃的时间来对齐其他两个量子比特的量子态测量。这两个量子比特应该始终处于计算为1的态。然而，研究人员发现只要他们看到第一个量子比特中的电荷跳跃，其他两个——无论在芯片上相距多远——都会迅速从计算为1的态翻转到0态。Wilen说：“这是一个长期的影响，而且确实具有破坏性。它会破坏存储在量子比特中的量子信息。”

尽管这项工作可以被视为超导量子计算机发展的一大挫折，但研究人员相信他们的结果将指导针对这个问题的新研究。威斯康星大学麦迪逊分校的这个小组已经在研究缓解策略。

McDermott说：“随着我们越来越接近容错量子计算机这一最终目标，我们将发现一个又一个的新问题。这只是更好了解系统过程中的一部分，为实现更具有弹性的设计提供了一条途径。”（编译:Qtech）