冷卻IBM Quantum Eagle（一個(gè)127量子位的量子處理器）的低溫恒溫器的內(nèi)部視圖

藍(lán)色巨人為超級(jí)計(jì)算機(jī)混淆計(jì)算帶來(lái)量子比特強(qiáng)度

盡管量子計(jì)算機(jī)理論上有一天會(huì)很強(qiáng)大，但它們目前很容易出錯(cuò)，以至于它們的最終效用經(jīng)常受到質(zhì)疑。然而，現(xiàn)在，IBM認(rèn)為量子計(jì)算可能比預(yù)期更早地進(jìn)入一個(gè)新的實(shí)用時(shí)代，其127量子位的Eagle量子計(jì)算機(jī)有可能在有用的問(wèn)題上提供準(zhǔn)確的結(jié)果，即使是今天的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法解決。

(資料圖片僅供參考)

從理論上講，量子計(jì)算機(jī)可以找到經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要億萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題的答案。量子計(jì)算機(jī)鏈接在一起的組件（稱(chēng)為量子比特或量子比特）越多，它能夠以指數(shù)方式執(zhí)行的更基本的計(jì)算（稱(chēng)為量子門(mén)）。

“這些方法可以應(yīng)用于其他更通用的電路。 ——克里斯坦·泰姆，IBM

量子計(jì)算機(jī)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是，眾所周知，它們?nèi)菀资艿阶钶p微干擾的破壞。當(dāng)今最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)通常每1次操作中大約出現(xiàn)一次錯(cuò)誤，許多實(shí)際應(yīng)用要求錯(cuò)誤率降低十億倍或更多。

科學(xué)家們希望有朝一日能夠建造出所謂的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，它可以擁有許多冗余量子比特。這樣，即使幾個(gè)量子比特失敗，量子糾錯(cuò)技術(shù)也可以幫助量子計(jì)算機(jī)檢測(cè)并解釋這些錯(cuò)誤。

然而，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)是所謂的噪聲中尺度量子（NISQ）平臺(tái)。這意味著它們錯(cuò)誤百出，量子比特太少，無(wú)法成功運(yùn)行量子糾錯(cuò)技術(shù)。

盡管目前量子計(jì)算處于早期性質(zhì)，但谷歌和其他公司之前的實(shí)驗(yàn)聲稱(chēng)，量子計(jì)算機(jī)可能已經(jīng)進(jìn)入了“量子優(yōu)勢(shì)”、“量子至上”或“量子霸權(quán)”時(shí)代。反過(guò)來(lái)，批評(píng)者認(rèn)為，這樣的測(cè)試只表明量子計(jì)算機(jī)能夠在人為的問(wèn)題上勝過(guò)經(jīng)典機(jī)器。因此，量子計(jì)算機(jī)是否足夠好以證明現(xiàn)在有用，仍然存在激烈的爭(zhēng)論。

現(xiàn)在，IBM透露，其Eagle量子處理器可以準(zhǔn)確地模擬常規(guī)計(jì)算機(jī)難以模擬超過(guò)一定程度復(fù)雜性的物理。該公司表示，這些模擬不僅對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是實(shí)際使用的，而且他們開(kāi)發(fā)的方法可以應(yīng)用于今天在量子機(jī)器上運(yùn)行的其他類(lèi)型的算法。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓IBM的量子計(jì)算機(jī)對(duì)材料中電子自旋的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模，以預(yù)測(cè)其特性，例如磁化。這個(gè)模型是科學(xué)家非常了解的模型，使研究人員更容易驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)結(jié)果的正確性。

“重要的是，我們的方法不僅限于這個(gè)特定的模型，”該研究的共同作者Kristan Temme說(shuō)，他是紐約約克鎮(zhèn)高地IBM托馬斯J.沃森研究中心的量子物理學(xué)家。“這些方法可以應(yīng)用于其他更通用的電路。

這張圖表顯示了量子計(jì)算機(jī)與最先進(jìn)的經(jīng)典近似方法的性能，與精確的經(jīng)典“蠻力”方法相比，用于一系列日益具有挑戰(zhàn)性的計(jì)算問(wèn)題

與此同時(shí)，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家在經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了這些模擬的版本，以比較量子計(jì)算機(jī)的性能。他們使用了兩套技術(shù)。暴力仿真提供了最準(zhǔn)確的結(jié)果，但也需要太多的處理能力來(lái)模擬大型復(fù)雜系統(tǒng)。另一方面，近似方法可以估計(jì)大系統(tǒng)的答案，但系統(tǒng)越大，它們通常證明準(zhǔn)確性越來(lái)越低。

該圖表比較了量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典近似方法的性能，超出了精確的經(jīng)典“蠻力”方法的能力

在最大的規(guī)模下，量子計(jì)算機(jī)的速度大約是經(jīng)典近似方法的三倍，在九小時(shí)內(nèi)找到答案，而30小時(shí)。更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著模型規(guī)模的增加，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典的蠻力模擬相匹配，而經(jīng)典的近似方法變得不那么準(zhǔn)確。

“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中所做的是證明我們可以大規(guī)模運(yùn)行量子電路并獲得正確的結(jié)果，這一直受到質(zhì)疑，許多人認(rèn)為在當(dāng)前的設(shè)備上是不可行的，”Temme說(shuō)。

當(dāng)比較顯示量子結(jié)果與經(jīng)典近似方法不一致時(shí)，“我們最初認(rèn)為實(shí)驗(yàn)犯了一個(gè)錯(cuò)誤，”Temme說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，“當(dāng)時(shí)得知量子計(jì)算機(jī)匹配的是經(jīng)典的蠻力模擬，而不是經(jīng)典的近似方法，這”令人驚訝”。

“我們希望這將導(dǎo)致方法之間的來(lái)回切換，量子計(jì)算機(jī)最終將獲勝。 ——克里斯坦·泰姆，IBM

科學(xué)家們進(jìn)行了測(cè)試，他們從運(yùn)行127步的60，2個(gè)量子門(mén)的880個(gè)量子比特中產(chǎn)生了結(jié)果。他們指出，量子計(jì)算機(jī)理論上可以用68個(gè)量子比特做什么，這已經(jīng)超出了經(jīng)典蠻力模擬能夠計(jì)算的范圍。盡管研究人員無(wú)法證明量子計(jì)算機(jī)在使用超過(guò)68個(gè)量子比特時(shí)提供的答案是否正確，但他們認(rèn)為，它在以前的運(yùn)行中的成功使他們確信它是正確的。

IBM的科學(xué)家警告說(shuō)，他們并不是說(shuō)他們的量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算更好。他們說(shuō)，未來(lái)的研究可能很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，普通計(jì)算機(jī)可能會(huì)為這些實(shí)驗(yàn)中使用的計(jì)算找到正確的答案。

“我們希望這將導(dǎo)致方法之間的來(lái)回，量子計(jì)算機(jī)最終將獲勝，”Temme說(shuō)。

無(wú)論如何，即使量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有完全超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這些新發(fā)現(xiàn)表明，它們?nèi)匀豢赡軐?duì)普通計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)非常困難的問(wèn)題有用。這表明我們現(xiàn)在可能正在進(jìn)入量子計(jì)算效用的新時(shí)代，IBM高級(jí)副總裁兼主任Darío Gil在一份聲明中表示。

IBM指出，其量子硬件顯示出比以前更穩(wěn)定的量子比特和更低的錯(cuò)誤率。然而，新的發(fā)現(xiàn)取決于IBM所謂的“量子錯(cuò)誤緩解”技術(shù)，該技術(shù)檢查量子計(jì)算機(jī)的輸出，以解釋和消除其電路所經(jīng)歷的噪聲。

IBM在新研究中使用的量子誤差緩解策略，零噪聲外推，在量子處理器可能從其環(huán)境中經(jīng)歷的不同噪聲水平上重復(fù)量子計(jì)算。這有助于研究人員推斷量子計(jì)算機(jī)在沒(méi)有噪聲的情況下會(huì)計(jì)算出什么。

“最終，我們將希望擁有一臺(tái)容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。長(zhǎng)期方向必須是將這些結(jié)果一直橋接到我們可以使用量子糾錯(cuò)的點(diǎn)。 ——克里斯坦·泰姆，IBM “我們的硬件和我們的錯(cuò)誤緩解方法現(xiàn)在都處于可以用來(lái)開(kāi)始實(shí)施過(guò)去五到十年提出的絕大多數(shù)近期算法的水平，看看哪種算法實(shí)際上提供了量子優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐中，”Temme說(shuō)。

零噪聲外推的一個(gè)缺點(diǎn)是它確實(shí)需要量子計(jì)算機(jī)多次運(yùn)行其電路?！皩?duì)于我們?cè)谶@里使用的零噪聲外推方法，我們需要在三個(gè)不同的噪聲水平下運(yùn)行相同的實(shí)驗(yàn)，”Temme說(shuō)?！斑@是計(jì)算中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都必須支付的成本，也就是說(shuō)，每次我們使用處理器時(shí)。

IBM指出，這些新發(fā)現(xiàn)代表了這種規(guī)模的量子誤差緩解的早期結(jié)果?！拔覀冋J(rèn)為這些方法仍有相當(dāng)大的改進(jìn)空間，”Temme說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，未來(lái)的研究還可以測(cè)試量子誤差緩解是否能夠像公司希望的那樣普遍適用于除該模型之外的其他類(lèi)型的量子應(yīng)用。

IBM表示，其在日本，德國(guó)和美國(guó)的合作伙伴地點(diǎn)的云端和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)將在明年由至少127個(gè)量子比特提供動(dòng)力。

“最終，我們將希望擁有一臺(tái)容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，”Temme說(shuō)?！伴L(zhǎng)期方向必須是將這些結(jié)果一直橋接到我們可以使用量子糾錯(cuò)的點(diǎn)。我們希望這將推動(dòng)硬件開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在每個(gè)組件方面的改進(jìn)都轉(zhuǎn)化為可以運(yùn)行的更復(fù)雜的計(jì)算，從而更平穩(wěn)地過(guò)渡到容錯(cuò)設(shè)備。

科學(xué)家們于6月14日在《自然》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

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