近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）研制出面向实时量子误差纠错的专用控制处理器。该处理器支持在程序运行过程中时间确定性地更新未来指令和操作参数，兼顾实时量子误差纠错等场景下控制内容动态调整与精确定时执行的需求。2026年10月23日，相关成果以《时间确定与指令动态执行：一种基于现场可编程门阵列的量子控制处理器》（Time-deterministic and instruction-dynamic execution: A field-programmable gate array quantum-control processor）为题，发表于《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）。

  量子纠错需要反复获取与误差有关的测量信息，由经典计算进行分析，并在需要时据此调整后续操作。随着量子计算规模扩大、运行时间延长，控制系统需要持续接收新的指令，同时让各项操作按精确的时序要求执行。如何把实时反馈融入正在运行的控制过程，是迈向容错量子计算需要在经典电子学层面解决的问题。

  研究团队提出了“时间确定与指令动态执行”（Time-Deterministic and Instruction-Dynamic Execution，TIDE）架构，将可调整的后续计划与已提交的操作分开管理。程序可以在运行中补充或修改后续指令，也可根据新信息调整操作参数；一项操作的内容和时间一旦确认并提交，便不再受后续修改影响，并由独立硬件负责定时执行。这使控制系统能够一边落实已经确定的操作，一边接收并安排新的控制决策（见图1）。

图1 TIDE在量子控制体系中的作用示意图（北京量子院供图）

  研究采用现场可编程门阵列（FPGA）作为验证平台，通过可重新配置的硬件电路，检验了处理器的设计思路与关键功能。测试验证了运行中调整参数和替换/增补指令的能力；在既定调度与输出条件下，已提交的控制指令按预定时刻发出，其时间与内容不受后续更新影响，表明动态更新与精确定时能够在同一处理器中协调实现（见图2）。

图2 运行中更新指令的硬件测试结果（北京量子院供图）

  对于实时量子误差纠错，依托这一能力，系统可以将经典处理输出的判断结果，转化为后续的量子操控指令。同样的思路也适用于需要依据测量结果改变计算步骤的量子算法，以及随实验条件变化调整参数的自适应校准。

  面向未来，这套经过硬件验证的架构有望发展为专用量子控制芯片。通过面向量子计算需求开展芯片设计，将提升集成度，优化功耗，并加强多通道之间的协同控制。进一步与量子比特读出、误差信息分析和控制信号生成环节衔接，可为实时量子纠错和长时间运行的容错量子计算提供必要的硬件支撑。

  该论文第一作者为北京量子院工程师罗小琴，通讯作者为北京量子院助理研究员苏晓禄，合作者包括清华大学访问学生宋佳芸。作者感谢北京量子院兼聘/清华大学尤力教授的支持和鼓励。该工作得到国家自然科学基金项目的支持。