《Nature Physics》重磅：把量子混沌拉回可控状态，IBM 百比特实验观测关键相变

文丨浪味仙  排版丨浪味仙

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量子计算机有一个麻烦：量子比特相互作用越复杂，信息就越容易扩散到整个系统；想弄清楚它们正在发生什么，又免不了进行测量，而测量本身就可能改变量子态。

如果让量子系统不断受到扰乱，同时通过测量和反馈把它拉回指定状态，两股力量究竟谁会占上风？当参与演化的量子比特达到 100 个，这种控制还能否奏效？

当地时间 10 月 9 日，《Nature Physics》发表的一项研究给出了实验答案。IBM、美国罗格斯大学等机构的研究团队，在最多 100 个超导量子比特上运行自适应电路。按照论文摘要的统计口径，相关实验涉及最多近 5000 次纠缠门操作，以及最多 5000 次非幺正中途操作。随着测量与反馈的比例提高，原本持续扩散的量子信息受到抑制，系统呈现出从混沌到受控状态的动力学相变。这一相变此前已有理论预测，这次则在真实百比特量子处理器上获得了实验观测。

研究人员还发现，在混沌区域和相变临界点附近，实验测得的统计涨落分布，与保留量子相干演化的模型更为接近，吻合程度总体上优于所比较的经典退相位模型。两类模型的预测有时相差很小，但这种相对优势在所研究的多个系统规模下仍然存在。

中途测量、条件反馈和重置，也是未来容错量子计算需要掌握的能力。不过，这次实验没有实现量子纠错，也没有保护编码后的逻辑量子比特，它检验的是现有量子硬件能否在大量操作和真实噪声存在的情况下，对复杂量子动力学持续施加控制，并从中测出可靠的物理规律。

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给量子混沌踩刹车

混沌并不等于完全随机，在一些经典物理系统中，即使运动遵循确定的数学规则，初始条件的微小差异也可能被不断放大，天气变化、湍流都具有类似特征。科学家早已发现，通过持续监测并施加反馈，可以让部分混沌系统靠近预设状态，只是量子系统更加复杂：多个量子比特相互作用会产生纠缠，量子信息迅速扩散；测量虽然能够提供信息，也可能破坏原有的量子相干性。

这项实验采用的模型与经典混沌理论中的伯努利映射有关，它能够不断放大初始状态的微小差异，也可以通过外部干预受到控制。此前，包括本研究部分作者在内的团队已提出自适应伯努利量子电路模型，从理论上预测其中存在两种相变，相关数值研究曾覆盖最多 24 个量子比特。后续研究还提出了分析不同量子测量轨迹间临界涨落的方法，而此次研究则将这些理论成果带到了真实超导量子处理器上。

研究人员将两类操作放进量子电路，让它们持续竞争：

• 一类是随机量子门，使相邻量子比特相互作用，把量子信息逐渐打乱；

• 另一类通过中途测量与反馈，将选定量子比特重置到 |0⟩ 状态。如果测得 |1⟩，系统就施加 X 门完成翻转；如果已经是 |0⟩，则无需翻转。随机量子门不断扰乱信息，测量和反馈则试图将局部状态拉回预设位置。

两类操作以不同概率交替出现，控制概率 p 越高，测量与反馈被选中的机会就越大。研究人员通过调节这一参数，观察混沌与控制之间的竞争如何改变整个系统的演化。

图1｜自适应量子电路中的混沌与控制。随机量子门负责扰乱量子信息，中途测量与条件反馈尝试将量子比特重置到目标状态。随着控制概率变化，系统呈现出不同的动力学行为。（图片来源：Nature Physics）

这套电路对硬件提出了很高要求。论文共同指导作者、IBM 量子纠错与动态电路实验资深研究科学家 Maika Takita 表示，困难在于反复测量某个量子比特时，还要让处理器其余部分继续运行。她认为，此次实验表明，现有硬件已经能够在大规模系统中协调执行数千次量子操作、测量与重置。

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百比特测出临界点

实验运行在 IBM 的 156 量子比特 Heron 超导量子处理器上，研究人员从中选取最多 100 个线性连接的物理量子比特。

随着控制概率提高，量子系统逐渐显现出两种不同的行为。控制较弱时，随机量子门占据优势，量子信息持续扩散；当控制概率超过约 0.5，在理论模型的长期演化中，系统逐渐趋向所有量子比特均处于 |0⟩ 的目标状态。两种行为之间存在一个临界点，被称为控制诱导相变（CIPT）。

在这套理论模型中，还有另一个临界点。当控制概率约为 0.3 时，量子纠缠的结构预计会从体积律转向面积律，被称为测量诱导相变（MIPT）。体积律意味着纠缠熵随子系统长度增长；对于这类一维量子比特系统，面积律意味着纠缠熵基本不随子系统长度持续增加。跨过这一临界点后，系统仍可能保持混沌。因此，理论模型包含体积律混沌相、面积律混沌相，以及控制占优后的受控相。

两种相变的观测难度相差很大。测量诱导相变涉及纠缠性质，通常需要提取难以直接测量的非线性信息，实验规模扩大后，后选择等方法的成本可能急剧增长。控制诱导相变则可以通过磁化强度这样相对直接的线性可观测量识别，无需重建整个量子态，因而更容易在百比特系统中进行实验观测。本次直接测得的是控制诱导相变，约 0.3 处的纠缠相变仍主要由理论与数值分析描述。

对于这套电路，磁化强度能够反映系统整体接近全零目标状态的程度。混沌占优时，平均磁化强度趋近于零；随着控制加强，这个数值逐渐升高，并在受控区域接近 1。研究人员比较不同规模的实验数据后，得到的临界点为 p=0.495(1)，接近理论预测的 0.5。不同规模系统的时间演化也呈现出接近理论预测的标度规律，表明这种变化具有明确的集体动力学特征。

图2｜100量子比特实验观测到控制诱导相变。随着控制概率提高，系统平均磁化强度在p约为0.5附近发生明显变化，实验拟合得到的临界点为0.495(1)。（图片来源：Nature Physics）

论文共同第一作者 Haining Pan 表示，令他印象深刻的是，随着系统规模增大，相变反而变得更加清晰。实验与理论的吻合表明，这种变化并非小型电路中的偶然特征，而是整个量子系统共同呈现的行为。

百比特实验还需要理论对照。保留量子相干演化的矩阵乘积态模拟，主要覆盖 10-40 量子比特、控制概率 p 不低于 0.4 的区域；对于更大的系统，研究还利用统计力学模型预测部分观测量及临界性质。论文指出，相关稳态实验数据没有使用误差缓解技术，仍然能够提取出与理论接近的临界规律。

03

藏在涨落中的证据

单凭 p 约为 0.5 的临界点，还不足以判断系统保留了多少量子动力学特征。伯努利映射具有经典对应模型，经典随机过程也可能出现类似的平均行为，于是研究人员转向不同测量结果之间的涨落，寻找平均磁化强度无法呈现的量子信息。

同一套量子电路经过多次运行，中途测量可能得到不同结果，系统也会沿不同的量子态轨迹演化。在论文定义的经典极限中，由量子测量产生的特定涨落会消失，真实处理器却存在噪声，直接观察零涨落附近的概率特征容易受到干扰。研究人员因此采用另一种统计方式：对每套随机电路重复测量，计算磁化强度的方差，再比较这些方差在不同电路之间如何变化。

实验发现，量子涨落在控制诱导相变附近同样呈现出接近理论预测的临界规律。涨落分析得到的临界点为 p=0.509(2)，与磁化强度测得的 0.495(1) 均接近理论预测的 0.5，但两项估计并不完全重合。涨落的动力学标度也与理论接近，数值上仍存在一定偏差。

研究团队进一步比较了量子与经典模型对实验数据的解释能力。研究人员先为每套随机电路计算一个磁化强度方差值，再观察这些数值形成的完整概率分布。即使不同模型预测的平均行为接近，它们对这些方差值如何分布，仍可能给出不同答案。

比较涉及三种理论描述：矩阵乘积态模拟保留量子相干演化；经典退相位模型将相干性视为完全丧失；统计力学模型则用于预测部分平均观测量和临界性质。实验结果显示，在混沌区域和临界点附近，量子模型对涨落分布的描述总体上更接近实测数据。统计力学模型虽然能够较好地预测部分临界性质，却无法同样准确地描述这些区域的完整涨落分布。

图3｜量子与经典模型对实验涨落分布的比较。在混沌区域和相变临界点附近，保留量子相干演化的模型总体上比所比较的经典退相位模型更接近实验数据。相关精细对照主要涉及10至40量子比特。（图片来源：Nature Physics）

量子模型相对更好的吻合，在部分 20-40 量子比特的对照中仍然存在，但两类模型的区别有时相当细微。进入受控区域后，量子模型与经典退相位模型的预测逐渐接近，读出噪声也使实验数据偏离理论结果。相关精细分布比较主要覆盖 10-40 量子比特，不能直接扩大为 100 量子比特上的同等验证。

这些结果为系统保留量子相干效应提供了统计证据，但尚不足以排除所有可能的经典理论解释。在控制概率较低的混沌区域，保留完整量子态演化的经典模拟面临较高的计算成本；不过，统计力学模型仍然能够有效预测部分物理性质，论文也没有提出量子计算优势的主张。

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离真正纠错还有多远

未来的容错量子计算机，需要在计算过程中反复获取错误信息，再通过经典处理和后续控制防止错误积累。论文认为，协调量子门操作、中途测量与反馈，是迈向容错量子计算的重要组成部分。

论文在结论中，将此次研究与此前几项实验进行了比较。例如，曾有其他研究团队利用时空对偶方法，在最多 70 量子比特的系统中研究隐形传态相变，避免了中途测量；离子阱平台也曾使用 20 个物理量子比特，模拟最多 73 量子比特系统的非平衡动力学，其中包含重置操作。这些实验采用了不同的模型与实现方式，此次研究则在百比特超导电路中反复执行中途测量与条件反馈，并测得控制诱导相变的临界性质。

此次实验中的控制有一个明确目标：根据测量结果，将选定量子比特重置到 |0⟩，使系统朝预设状态演化。相比之下，量子纠错要解决的问题更复杂，需要通过纠错码和错误综合征，在保留逻辑信息的同时识别并处理错误。Google 此前的表面码实验已经在小规模逻辑量子比特上展示了错误抑制能力。相比之下，此次 IBM 实验验证的是复杂量子电路中的持续测量与条件反馈能力，尚未涉及纠错码的运行和逻辑错误率的改善。如何将这些操作与综合征解码结合起来，并解决控制时延、硬件资源开销等问题，仍是构建大规模容错量子计算机必须面对的工程挑战。

在这套 100 量子比特的实验中，研究人员观测到了理论预测的混沌转变，也从细微的统计涨落中获得了支持量子相干演化的证据。测量与反馈已经能够改变复杂量子系统的演化，下一道难题是怎样在持续计算中保住需要保护的量子信息。

Reference：

《Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware》，Nature Physics，2026

https://www.nature.com/articles/s41567-026-03470-6

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