在量子计算机和其他实验性量子系统中，信息在设备周围传播，并像Boggle游戏中的骰子一样迅速变得混乱。这种加扰过程发生在系统的基本单位，称为量子比特(就像计算机比特只是量子)彼此纠缠在一起时;纠缠是量子物理学中的一种现象，其中粒子相互连接并保持连接，即使它们没有直接接触。

研究人员发现，即使是量子模拟器中最简单、混沌的动力学，也会自然地出现复杂的随机行为。这张图放大了一个看似光滑的量子系统中的一组这样复杂的状态。图片来源：AdamShaw/加州理工学院

这些量子设备模仿自然界中发生的事情，使科学家能够开发出可能在医学、计算机电子和其他领域有用的新奇异材料。

虽然还需要数年时间才能实现全尺寸量子计算机，但研究人员已经在所谓的量子模拟器上进行实验——为解决特定问题量身定制的量子设备，例如有效模拟高温超导体和其他量子材料。

这些机器还可以解决复杂的优化问题，例如为自动驾驶规划路线以确保它们不会发生碰撞。

使用这些量子机器的一个挑战是它们非常容易出错，比经典计算机更容易出错。在这些较新的系统中识别错误也更加困难。

“在大多数情况下，量子计算机会犯很多错误，”加州理工学院物理学研究生AdamShaw说，他是《自然》杂志上一项关于验证量子设备准确性的新方法的研究的两位主要作者之一。

“你无法打开机器查看内部，而且存储着大量信息——对于传统计算机来说太多了，无法解释和验证。”

在自然研究中，Shaw和共同主要作者JoonheeChoi(前加州理工学院博士后学者，现为斯坦福大学教授)展示了一种测量量子设备准确性(也称为保真度)的新方法。

两位研究人员都在ManuelEndres的实验室工作，ManuelEndres是加州理工学院的物理学教授和Rosenberg学者。他们新策略的关键是随机性。科学家们发现并描述了一种新发现的随机性类型，这种随机性与信息在量子系统中的加密方式有关。但即使量子行为是随机的，也可以在噪声中识别出普遍的统计模式。

“我们有兴趣更好地了解当信息被打乱时会发生什么，”Choi说。“并且通过使用统计数据分析这种行为，我们可以寻找表明错误已经发生的模式偏差。”

“我们不想要我们的量子机器的结果;我们想要一个经过验证的结果，”Endres说。“由于量子混沌，一个微观错误会导致完全不同的宏观结果，这与蝴蝶效应非常相似。这使我们能够有效地检测错误。”

研究人员在具有多达25个量子比特的量子模拟器上展示了他们的协议。为了确定是否发生了错误，他们对系统的行为进行了数千次的测量，直至达到单个量子位级别。

通过观察量子位如何随时间演变，研究人员可以识别看似随机行为的模式，然后寻找与他们预期的偏差。最终，通过发现错误，研究人员将知道如何以及何时修复它们。

“我们可以通过单量子位分辨率追踪信息如何在系统中移动，”Choi说。“我们之所以能够做到这一点，是因为我们还发现这种自然发生的随机性仅在一个量子比特的水平上表现出来。你可以在系统的子部分中看到普遍的随机模式。”

肖将他们的工作比作测量湖上波浪的起伏。

“如果刮风，你会在湖面上看到波峰和波谷，虽然它看起来可能是随机的，但人们可以识别随机性的模式并追踪风如何影响水。我们将能够通过分析模式如何变化来判断风向是否发生变化。我们的新方法同样允许我们在量子系统中寻找指示错误的变化。”