总而言之：量子计算需要有序和无序的正确组合

最近 IBM transmon 阵列的实验参数。a）65量子位transmon阵列“Brooklyn”的布局，目前在IBM的量子云（https://www.ibm.com/quantum-computing/systems/）中可用，采用重六边形几何形状。量子位的颜色表示约瑟夫森能量E的变化J这在太空中基本上是不相关的。b） E的传播J为“布鲁克林”芯片绘制，与高斯分布（实线）一致。在IBM量子云中所有可用的transmon设备中都发现了类似水平的无序和分布。c） 测得的约瑟夫森能量方差，δEJ，用于9个实现的27量子位“猎鹰”设计，以及两个实现65量子位“蜂鸟”设计。图片来源：Nature Communications（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-29940-y

在卓越集群“量子计算的物质和光”（ML4Q）内进行的研究分析了量子计算机的尖端设备结构，以证明其中一些确实在接近混乱崩溃阈值的危险运行中。挑战在于，在太高、也太低的无序之间走一条细线，以保护设备运行。该研究已于今天发表在《自然通讯》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来开发量子计算硬件。但是，当前的平台尚未准备好进行实际应用。仍然存在多重挑战，其中包括控制设备缺陷（“无序”）。

这是一个古老的稳定性预防措施：当一大群人过桥时，他们需要避免步调一致，以防止形成破坏建筑稳定性的共振。也许与直觉相反，超导transmon量子位处理器——IBM、谷歌和其他联盟青睐的量子计算技术先进的平台——依赖于相同的原理：故意引入无序阻止了共振混沌波动的形成，从而成为多量子位处理器生产的重要组成部分。

为了理解这个看似矛盾的观点，人们应该把transmon量子位看作是一种钟摆。量子比特相互连接以形成计算结构，定义了耦合摆锤系统——这个系统就像经典摆锤一样，很容易被激发到无法控制的大振荡，从而带来灾难性的后果。在量子世界中，这种不可控的振荡导致量子信息的破坏;计算机变得不可用。故意引入的单钟摆局部“失谐”可以防止这种现象。

“transmon芯片不仅能容忍，而且实际上需要有效地随机量子位到量子位器件的缺陷，”科隆大学Simon Trebst小组的最后一年博士生，该论文的第一作者Christoph Berke解释说。“在我们的研究中，我们询问'随机性稳定性'原则在实践中有多可靠。通过应用对无序系统理论的最新诊断，我们能够发现至少一些工业追求的系统架构危险地接近不稳定。

从基础量子物理学的角度来看，transmon处理器是一个具有量子能级的多体量子系统。最先进的数值工具允许人们将这些离散水平计算为相关系统参数的函数，以获得表面上类似于一堆煮熟的意大利面条的模式。对真实建模的Google和IBM芯片的这种结构的仔细分析是论文中用于绘制Transmon量子计算稳定性图的几种诊断工具之一。

“当我们将谷歌与IBM芯片进行比较时，我们发现在后一种情况下，量子位状态可能会耦合到一定程度的受控门操作可能会受到损害，”科隆大学计算凝聚态物理小组负责人Simon Trebst说。因此，为了确保受控的门操作，需要在稳定量子位完整性和实现量子位间耦合之间取得微妙的平衡。用意大利面准备的术语来说，人们需要将量子计算机处理器准备得完美无缺，保持能量状态“al dente”，并通过过度烹饪来避免它们纠缠不清。

Transmon硬件无序的研究是作为卓越集群ML4Q的一部分进行的，这是科隆大学的Simon Trebst和Alexander Altland的研究小组以及亚琛工业大学的David DiVincenzo小组和Forschungszentrum Jülich之间的合作工作。“这个合作项目非常独特，”科隆理论物理研究所的Alexander Altland说。“我们对transmon硬件的补充知识，复杂多体系统的数值模拟以及量子混沌是理解如何保护无序量子信息的完美先决条件。它还指出了如何将从小型参考系统获得的见解转移到与应用相关的设计规模中。

亚琛工业大学JARA量子信息研究所创始所长David DiVincenzo得出了以下结论：“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相结合，并将'混沌诊断'作为超导平台量子比特处理器设计的常规部分，这是多么重要。