Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold
本文通过利用 48 自旋单态流形的整个希尔伯特空间，而非将操作限制在编码量子比特内，实现了每交换相互作用 的创纪录低系统级误差率，揭示了丰富的散射动力学，并为仅靠交换的量子计算性能建立了新的基准。
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在探索构建能够解决当今计算机无法处理的问题之机器的过程中，科学家们正在探索许多不同的信息存储和处理方式。一种极具前景的方法依赖于电子微小的磁自旋，这些自旋可以像微型指南针一样指向上下方向。在大多数设计中，研究人员试图单独控制每个电子，将其视为一个独立的信息单元。然而，另一种策略利用了电子与其邻居交换位置的自然倾向，这一过程是由一种被称为“交换相互作用”的基本力驱动的。这种方法提供了一条实现高精度的路径，因为这种相互作用简单且稳健，但它也带来了一个挑战：电子无法被逐一控制。相反，它们必须被组合成更大的集群，作为一个统一的整体系统来运作。这创造了一个极其广阔且复杂的可能状态景观，远大于控制单个单元时所能拥有的空间，但也使得系统更难进行导航和测量。
来自 HRL Quantum 和微软的一个研究团队现在在掌握这种方法方面取得了重大进展。他们制造了一个包含 48 个电子自旋的器件，并证明了他们能够以卓越的精度操纵整个群体，将整个集合视为一个单一的、大规模的量子处理器。研究人员并没有尝试隔离三个自旋的小组来充当标准比特，而是让整个阵列处于一种总磁自旋为零的状态下运行。这种特定的配置使他们能够访问一个比 40 个标准比特所能容纳的空间还要大的可能性空间，然而他们成功地在控制过程中避免了通常困扰此类大型系统的误差。他们的工作表明，通过拥抱整个系统的复杂性而非与其对抗，他们可以实现超越其他领先量子技术的准确度。
研究人员使用一系列严谨的实验测试了他们的系统，旨在测量机器在执行复杂操作时保留信息的能力。他们首先运行随机的自旋交换序列，本质上是要求电子以不可预测的方式重新排列它们的连接。为了观察机器是否正常工作，他们测量了系统在这些洗牌操作后返回初始状态的频率。他们发现，对于每一次交换操作，系统出错的概率都极低，大约为 3/10,000。这个误差率显著低于其他类型的量子计算机所报告的水平，后者在基础操作中通常显示出高于 1/1,000 的误差率。这一结果之所以令人印象深刻，是因为它考虑了整个控制序列中的所有噪声和缺陷，而不仅仅是单个组件的理论性能。
为了理解信息如何在这一庞大的电子群中传播，团队进行了一项更高级的测试，称为“时间序相关函数”（out-of-time-order correlator）。在这次实验中，他们在系统的某一部分引入了一个微小的扰动，然后观察该扰动如何通过这 48 个自旋在整个群体中扩散。他们观察到信息并没有停留在原地；相反，它以波浪式的模式在设备中扩散并变得杂乱。通过测量过程结束时特定电子对的状态，他们可以精确看到最初的扰动是如何影响其余系统的。结果与完美、无噪声机器的计算机模拟高度吻合，证实了即使在如此大规模且复杂的排列中，电子也完全按照物理定律进行相互作用。
团队还探索了系统在模拟一种被称为“海森堡自旋链”的特定磁性材料时的行为。他们编写程序让电子模仿这种材料中的相互作用，通过调整相邻之间的连接强度来观察系统的反应。他们观察到了在链中来回传播、在末端反射并相互干涉的清晰波纹模式。这些模式根据他们选择的设置发生着可预测的变化，证明了该器件能够忠实地重现复杂的物理动力学过程。虽然该系统目前尚不足以解决经典计算机无法解决的问题，但其能够高保真度地模拟这些磁性相互作用的能力表明，这项技术正在迅速成熟。
这项工作最显著的特点之一是衡量成功的方法。研究人员并没有观察单个门或一小组自旋的性能，而是将整个系统作为一个整体进行评估。他们不将这 48 个自旋视为独立的比特集合，而是将其视为一个单一的、相互连接的实体。这种方法使他们能够利用系统提供的全范围状态，包括那些在其他设计中通常被视为误差或“泄漏”的状态。通过这样做，他们能够提取出关于机器真实能力的更准确图像。数据表明，系统中的误差并非仅仅是随机的故障，而是包含了可以被建模和理解的一致且可预测的模式。这一洞察对于未来的改进至关重要，因为它指明了改进控制硬件和校准技术的方法。
研究人员承认，尽管他们的器件表现异常出色，但它还不是一台能够无需误差运行任何算法的全容错计算机。他们测得的误差率虽然很低，但在进行极长计算时仍会累积，最终淹没计算结果。然而，事实是他们在如此规模的系统上实现了如此低的误差，这有力地证明了“仅靠交换”（exchange-only）方法是可行的。这表明，随着控制电子学和脉冲传递方式的进一步优化，误差率还可以进一步降低。该团队的工作为如何扩大这些系统的规模提供了清晰的路线图，表明控制大型电子群体的挑战并非不可逾越。
在量子计算的宏观背景下，这项研究为依赖于控制单个量子比特的主流策略提供了一个引人注目的替代方案。它证明了利用许多粒子的集体行为是有价值的，即便这意味着放弃对单个粒子进行寻址的能力。实验中实现的这种高保真度表明，交换相互作用是构建量子机器的一种强大工具。随着领域的推进，从这个 48 自旋系统中汲取的经验将很可能会影响未来设备的设计与测试。能够以高精度访问并控制如此大规模的希尔伯特空间，为模拟复杂材料和解决难题开辟了新的可能性，使实现实用化量子计算机的愿景又向前迈进了一步。
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