在卓越集群“用于量子计算的物质和光”(ML4Q)项目内进行的一项研究分析了量子计算机的尖端设备结构，以证明其中一些结构确实是在接近混乱崩溃阈值的情况下运行。但挑战在于如何在过高和过低的无序之间寻找一个平衡点，以保障设备的正常运行。该研究已于近日发表在《自然通讯》杂志上。

在争夺可能成为未来关键技术的竞赛中，IBM和谷歌等科技巨头正在投入大量资源开发量子计算硬件。然而，目前的平台还没有为实际应用做好准备。仍然存在多种挑战，其中就包括对设备缺陷(“无序”)的控制。

这是一个古老的保持稳定的预防措施：当一大群人过桥时，他们需要避免步调保持一致，以防止形成共振破坏桥体。或许与直觉相反，超导transmon量子比特处理器也依赖于相同的原理：故意引入的无序能阻止混沌波动共振的形成，因此成为了多量子比特处理器生产的重要组成部分。

要理解这个看似自相矛盾的观点，我们需要将transmon量子比特视为一种钟摆。相互连接形成计算结构的量子比特定义了一个耦合的钟摆系统。这个系统就像经典钟摆一样，很容易被激发到无法控制的大振荡上，这会带来灾难性的后果。在量子世界中，这种不可控的振荡会导致量子信息的破坏，让计算机变得无法使用。而有意引入的单摆局部“失谐”可以避免这种现象。

科隆大学博士生、该论文的第一作者Christoph Berke解释说：“transmon处理器不仅可以容忍，而且实际上需要有效的随机量子比特到量子比特设备的缺陷。在我们的研究中，我们问的是‘随机稳定性’原则在实践中的可靠性。通过应用最先进的无序系统理论诊断，我们能够发现，至少一些工业上追求的系统架构是危险地接近不稳定。”

从基础量子物理学的角度来看，transmon处理器是一个具有量子化能级的多体量子系统。用最先进的数值工具允许人们根据相关系统参数计算这些离散水平，以获得一种表面上类似于一团煮熟的意大利面的模式。对已实际建模的Google和IBM芯片的这种结构进行仔细分析，是本文用于绘制transmon量子计算稳定性图的几个诊断工具之一。

科隆大学计算凝聚态物理小组负责人Simon Trebst说：“当我们将Google与IBM芯片进行比较时，我们发现在后一种情况下，量子比特状态可能会耦合到一定程度，即受控门操作可能会受到影响。”为了确保受控门操作，因此需要在稳定量子比特完整性和实现量子比特间耦合之间取得微妙的平衡。还用准备意大利面的说法来比喻，人们需要将量子计算机的处理器准备得很完美，要保持能量状态“有嚼劲”并避免它们因过度烹饪而纠缠在一起。

科隆大学理论物理研究所的Alexander Altland说：“这个合作项目是非常独特的。我们在transmon硬件、复杂多体系统的数值模拟和量子混沌方面的互补知识是了解如何保护无序量子信息的完美先决条件。它还表明了，如何将针对小型参考系统获得的见解转移到与应用相关的设计规模上。”

亚琛工业大学JARA量子信息研究所的创始主任David DiVincenzo得出以下结论：“我们的研究表明，硬件开发人员将设备建模与最先进的量子随机性方法结合起来，并将‘混沌诊断’作为超导平台中量子比特处理器设计的常规部分是多么重要。”（编译:Qtech）