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Google强化学习首次实现实时容错优化,逻辑稳定性提升3.5倍

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量子计算机的本质其实是一种模拟机器,在其中,量子比特始终在与环境进行着一场无声的较量。温度的细微变化、电子器件的老化、控制线路的漂移,都会让量子门操作逐渐偏离最佳状态。哪怕只有极小的误差积累,也足以让原本正确的计算结果失去意义。

如今的超导量子计算机需要频繁停下任务进行校准,工程师不断测量系统状态、调整数千个控制参数,再重新开始计算。这套流程在今天的小规模设备上尚且能够维持,但随着容错量子计算逐渐走向数百甚至数千个逻辑量子比特,依赖人工或固定规则的校准方式开始暴露出越来越明显的瓶颈。

如果量子计算机能够像自动驾驶汽车一样,在运行过程中持续感知自身状态,并实时修正控制参数,会发生什么?

2026 年 7 月 8 日,Google 量子 AI 团队在《Nature》上发表了「Reinforcement learning control of quantum error correction」。他们训练了一个强化学习智能体来稳定逻辑量子比特,能够从失败中持续不断地学习。



论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-026-10759-2

当校准成为挑战

对于经典计算机来说,一次程序运行结束后,只要硬件没有损坏,下一次运行通常不会有太大差别。

量子计算却完全不同。

现代容错量子计算系统因此需要维护数量庞大的控制参数。从单量子比特旋转角度、双量子比特耦合强度,到读出校准和脉冲补偿,每一种参数都会随着环境变化不断偏离最优值。随着编码距离不断增加,需要维护的参数数量也呈指数式增长,传统依赖人工经验或逐项扫描的校准流程开始变得难以为继。

更棘手的是,真正决定计算质量的逻辑错误率(Logical Error Rate,LER)本身十分稀有。这也是过去很长时间里,强化学习始终难以真正应用于容错量子计算的重要原因。

研究团队没有直接优化最终逻辑错误率,而是提出一种代理目标(Surrogate Objective)。



图 1:强化学习概述。

在表面码(Surface Code)等量子纠错方案中,每完成一次纠错循环,系统都会产生大量错误检测事件。这些检测器能够告诉研究人员:哪些局部区域出现了异常,哪些量子门可能正在发生漂移。

倾听每一个错误

虽然单个检测事件并不能直接代表最终计算是否失败,但它们却像汽车仪表盘上的各种传感器一样,持续反映着系统健康状态。

于是,研究人员把这些原本用于量子纠错的数据,直接转化成强化学习能够理解的即时奖励。



图 2:从错误中学习。

团队进一步利用检测器之间天然形成的因子图(Factor Graph),把整个量子芯片划分成大量局部子区域。每个控制参数只需要关注与自己相关的检测事件,每一次动作获得的奖励也来自附近区域,而不是整个系统最终是否出错。这样一来,原本极其稀疏、延迟严重的奖励,被拆解成连续、局部且高频的学习信号。

在此基础上,强化学习代理采用策略梯度(Policy Gradient)方法持续调整控制参数。当检测事件减少时,相应策略获得正向奖励;当局部错误增加时,AI 则自动修正控制策略。整个学习过程无需人工标注,也不依赖预设漂移模型,而是完全依据量子计算机运行过程中产生的数据不断更新自身策略。

为了验证这一思路,研究团队首先人为向系统注入持续变化的控制漂移,模拟真实设备长期运行过程中不可避免的参数偏移。

结果显示,在没有强化学习介入时,随着漂移不断累积,逻辑错误率迅速恶化;而 RL 代理能够持续根据检测事件调整控制参数,使系统始终保持接近最佳工作状态。整个实验过程中,逻辑计算稳定性提升约3.5 倍,AI 几乎始终追着漂移变化完成实时补偿,而不是像传统校准那样等误差累积到一定程度后再统一修复。



图 3:QEC 性能的强化学习微调。

迈向真正的大规模量子控制

对于未来的大规模容错量子计算而言,更重要的问题是:随着量子比特不断增加,这套方法还能否继续工作?

为此,研究团队进一步将强化学习应用到不同规模的量子纠错编码中。

在实验平台上,研究人员首先以经过人工专家优化后的系统作为基线,再让强化学习继续接管校准过程。结果发现,即便是在已经高度优化的基础上,RL 仍然能够持续发现新的改进空间,使 LER 进一步下降约20%。



图 4:RL 转向演示。

这一结果意味着,强化学习并不是简单替代传统校准,而是在专家经验之外继续进行精细优化,不断逼近系统能够达到的最佳状态。

最后,团队演示了 RL 控制的可扩展性,此时,需要同时优化的控制参数数量已经接近4 万个,远远超过人工能够维护的范围。然而,得益于局部奖励机制和因子图带来的天然并行性,系统训练效率并没有随着规模扩大而明显恶化,不同区域依旧能够独立学习、协同优化,展现出良好的可扩展能力。

量子的前景

过去,量子计算的控制策略大多遵循「发现问题—暂停计算—重新校准—恢复运行」的模式。随着设备规模不断扩大,这种停机维护不仅会带来巨大的时间成本,也会让整个系统越来越难以管理。而强化学习提供了一种全新的思路:让校准从一项独立任务,变成量子计算持续运行过程中自然发生的一部分。

AI不再只是分析实验数据,也不只是帮助优化算法,而是开始直接参与底层控制系统,在每一次量子纠错循环中持续学习、持续修正、持续优化。

对于真正的大规模容错量子计算而言,这种变化意味着控制方式正在发生根本转变——未来的量子计算机或许不会等到出现问题再去校准,而是在每一个计算周期里主动修正自身状态,让系统始终保持最佳工作点。未来的容错量子计算,或许将第一次真正拥有持续「自我维护」的能力。

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