在NISQ硬件上基准测试工程化交换相互作用

本研究为何对未来计算重要

量子计算有望解决当今计算机难以应对的化学、金融与安全问题，但前提是其基本构件必须可靠可用。本文考察了一类特殊量子操作——交换相互作用（exchange interaction）——在现有有噪量子硬件上的执行情况，提供了技术现状的现实快照并指出如何更明智地利用这些设备。

在微小量子比特之间交换信息

在许多量子算法中，两个量子比特需要以受控方式共享并交换信息。研究聚焦于两种相关操作：iSWAP与iSWAP的平方根（square root of iSWAP），它们在一对比特之间重排激发并同时产生纠缠——这种独特的量子关联是大多数量子加速的基础。这些操作在模拟磁性材料以及在芯片上高效路由信息（当并非所有比特都直接相连时）时尤其有用。

让理论适配真实器件

在这里使用的超导处理器基于IBM的Falcon架构，iSWAP及其变体并非原生门，而必须由一个由更简单动作组成的小工具箱构建，主要包括CNOT、RZ和SX门。作者设计了面向硬件的两种交换操作实现，每种仅使用两个CNOT门，夹杂单比特旋转，以保持电路短小。电路越短越重要，因为现今设备会随着步骤增加迅速丧失量子信息并积累误差。

将这些门付诸检验

为评估这些工程化门的性能，研究采用了两种互补的检测方法。直接态测量从简单输入态出发，统计设备返回预期结果与不期望结果的频率。量子过程断层扫描（quantum process tomography）更深入：它重建出设备如何转换任意输入的完整图景，生成操作的“指纹”并给出一个称为过程保真度的单一准确度分数。在理想模拟器上，两种交换门的保真度都非常高，约在97%到98%之间，主要受有限测量次数带来的统计噪声限制。

真实有噪硬件上发生了什么

当在物理量子芯片上运行相同测试时，交换门的表现明显下滑。iSWAP实现的过程保真度约为89.7%，其平方根版本约为87.7%，相比模拟器损失约9到10个百分点。直接态测量显示，从两个比特都处于“关”态的简单初态出发，iSWAP比其变体更常保持该态，但也产生更多“都开”这一错误输出。通过将这些行为与标准CNOT门及能量弛豫、去相干与读出误差等详细器件指标进行比较，研究将性能差异关联到具体硬件限制以及不同比特间的差异。

这对未来道路意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是：在受限的硬件工具下仍可构建有用的量子门，但它们的可靠性仍被当今设备的噪声强烈塑造。本文研究的工程化交换相互作用在与原生操作竞争时，揭示了误差如何潜入以及不同设计如何以一种类型的错误换取另一种类型的表现。这样的基准为算法设计者提供实际数据以在门选项间做出权衡，激发减少主要误差通道的策略，并在该领域迈向更可靠、容错的量子计算机过程中指引未来芯片设计的改进方向。

引用: AbuGhanem, M. Benchmarking engineered exchange interactions on NISQ hardware. Sci Rep 16, 16132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53082-6

关键词: 量子门, 超导量子比特, 纠缠, NISQ 硬件, 量子基准测试