5月27日，全球领先的量子-经典混合控制解决方案Quantum Machines（QM）宣布，利用其OPX1000编排和校准平台，仅用7个工作日就将Rigetti商用Novera™ QPU从冷启动升级到全面运行，实现99.5%的中位双量子比特门保真度。
这表明，高性能Novera运行现在可以在Rigetti内部控制系统之外实现。
当然，这也是迄今为止使用外部编排和校准平台实现的最高全系统Novera性能，达到了Rigetti内部自控所能实现的相同保真度。
7天冷启上线，实现99.5%保真度
在量子计算领域，双量子比特门保真度超过99%一直是衡量芯片能否走向实用的“及格线”。而达到99.5%以上，则意味着芯片在执行复杂算法时的错误率极低，具备实现量子纠错（QEC）的底层潜力。
本次实验采用的是Rigetti的Novera QPU。这是一款商用的9量子比特超导芯片，基于其第四代Ankaa架构，采用了可调耦合器和方格晶格设计。
在内部测试中，Rigetti能跑出漂亮的数据并不稀奇。但现实中存在的一个难点是，当一个外部团队，用一套第三方的控制系统，能不能复现内部系统的结果？
Quantum Machines做到了，而且做得非常漂亮。
根据QM发布的技术博客，Quantum Machines团队在Rigetti现场使用QM的OPX1000编排平台和Qualibrate校准框架对Novera QPU进行了校准和启动。
结果显示，Rigetti的Novera 9量子比特芯片上所有9个量子比特的单量子比特门保真度中位数达到了99.93%，同时整个量子处理单元（QPU）的读出保真度也达到了95%。
为了进一步实现可扩展的操作，Quantum Machines团队还在Novera器件上对11对量子比特（所有功能正常且可用的量子比特对）进行了测试，结果显示双量子比特门保真度中位数达到了99.5%，峰值达到了99.86%。
重要的是，这些结果表明，Quantum Machines的协调和校准堆栈能够重复地实现与Rigetti内部控制基础设施之前达到的相同操作状态，而无需依赖于一次性的优化“最佳”校准结果。
这些数据表明，衡量性能的关键指标正在从单个门的保真度转向在整个系统中长时间维持校准后的、有界误差率的能力。
Quantum Machines如何做到的？
单看99.5%这一数值，你内心可能没什么波澜。但事实上，这个结果的含金量是非常高的。
因为Novera架构复杂，想要在这一架构上实现高保真度，还有不少问题需要解决。
简单来说，超导QPU就像一个精密调谐的管弦乐团，哪怕只有一个乐器走音，魔力就会消失。量子比特及其相互作用依赖于偏置电压，即使是微小的漂移也会在整个器件中串联成误差。因此，QPU只有在性能在整个设备中保持一致时才可靠。
显然，量子比特与其控制之间的紧密耦合使得可扩展操作成为一个难题。
Novera芯片采用可调耦合器架构，多个Novera QPU可以通过芯片间耦合器拼接在一起，成为更大型系统的直接代理。这使得Novera成为评估单量子和双量子比特门性能、串扰以及校准鲁棒性的绝佳测试平台，适用于全功能设备。
但是，每增加一个量子比特和耦合器，都会引入额外的参数和相互作用，必须进行校准。如果没有结构化的方法，调出量子比特的方格可能需要数周的手动调优和迭代实验。
而芯片架构采用可调耦合器，即使未应用双量子比特门，残余交互，尤其是ZZ耦合，仍可能降低单量子比特门性能，使校准程序复杂化。
Quantum Machines团队运用JAZZ协议，尝试解决上述问题。
实际上，该协议是一种利用拉姆齐回波测量ZZ相互作用强度的方法。通过实时相位控制，团队找到了那个让相互作用归零的ZZ-off工作点，这样就可以把量子比特们分隔开来。
但是，除了隔离外，还需要精准控制。在极低温环境下，电信号通过线缆传输会发生失真情况，如果脉冲形状变了，那量子比特门的精度也必然会受影响。
QM的OPX1000平台没有采用传统的预补偿，而是利用其核心的脉冲处理单元（PPU）跑起了实时数字滤波器。
实时数字滤波器，顾名思义，这些滤波器在控制处理器上可以实时运行，因此，波形校正可实时应用，无需重新编译。
这样的话，无需依赖预编译的脉冲序列就可以实现本地失真补偿，这在运行非确定性序列（如自适应电路算法或带前馈操作的实时量子纠错）时至关重要。
有了上述基础，才能谈双比特门优化。对此，团队给出的办法是，PALEA（相位平均泄漏误差放大）协议。
在执行CZ门时，最怕粒子“泄漏”到非计算子空间去（比如|2>态），这会直接导致门出错。PALEA协议通过相干地放大那些微小的泄漏概率，让原本难以察觉的泄漏点变得清晰可见。
大规模校准
据Quantum Machines官方公告，从冷启动（芯片从零开始加电）到实现稳定的高性能运行，整个流程只用了7个工作日。这背后是其QUAlibrate软件在驱动整个校准流程的并行化运作。
这些结果验证了Novera平台的性能，以及集成控制和校准堆栈在快速、可重复地实现整个设备高保真性能方面所发挥的作用。
QM首席执行官Itamar Sivan表示：“随着系统规模的扩展，校准和编排成为基础设施的根本挑战。量子计算的未来不仅依赖更好的量子比特，还依赖于能够可靠地在多种不同环境中运行日益复杂的系统。”
值得一提的是，Rigetti的Novera不仅仅是一块芯片，它正成为整个量子生态系统的连接器。
目前，QM的这套平台已经在蒙大拿州立大学、费米实验室、Horizon Quantum以及TreQ的多QPU系统中运行。
Rigetti高级副总裁Andrew Bestwick指出：“这些结果表明了更广泛的量子生态系统日益成熟。”
当然，Novera的设计初衷就是作为一个模块化单元，多个Novera QPU可以通过芯片间耦合器拼接在一起，形成更大型的系统。
因此，能在Novera上跑通高性能的第三方控制系统，意味着这套控制栈具备了向更大规模（如36Q、108Q）系统进军的潜力。
下一个挑战是如何维持这种性能。随着QPU数量的增长以及连续运行数小时甚至数天，手动校准将成为瓶颈，自动化的并行重新校准或许是唯一可行的解决方案。
[1]https://www.quantum-machines.co/press-release/rigetti-novera-qpu-performance-milestone/
[2]https://www.quantum-machines.co/blog/rigetti-novera-99-5-fidelity-opx1000/
