IBM沃森研究中心的量子計算機

鳳凰網(wǎng)科技訊 北京時間6月15日消息，四年前，谷歌曾宣稱實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，引發(fā)了人們對量子計算的關(guān)注。但是在現(xiàn)實應(yīng)用中，量子計算始終存在“可靠性”難題。同一個計算重復(fù)多次，它很可能每次都會得出不同的答案。周三，“藍(lán)巨人”IBM聲稱，他們找到了一種解決量子計算可靠性的方法。

需要說明的是，傳統(tǒng)計算機的基本二進制單位是0和1，要么是0，要么就是1。但是在量子計算中，它的基本計量單位量子比特既可以是0，也可以是1，還可以既是0也是1，這種現(xiàn)象被稱之為量子的疊加態(tài)。量子計算機正是通過量子疊加實現(xiàn)同時存儲大量信息的功能。因此，它們可以在處理復(fù)雜任務(wù)時，快速存儲大量數(shù)據(jù)，探索多種可能并選擇最有效的解決途徑。

但是，由于保持量子比特的疊加態(tài)是件非常困難的事，最微小的環(huán)境變化(振動、電場、磁場、宇宙輻射)也可能導(dǎo)致疊加態(tài)的坍縮，造成計算錯誤。所以，目前世界上還沒能造出一臺沒有誤差、且用途廣泛的量子計算機。

周三，IBM研究人員宣布，他們已經(jīng)設(shè)計出一種方法來管理量子計算的不可靠性，從而得出可靠、有用的答案。IBM科學(xué)家已經(jīng)把研究論文發(fā)表在了《自然》雜志上，題為《容錯前的量子計算實用性證據(jù)》。容錯量子計算指的是有量子糾錯保護的量子計算。

IBM發(fā)表的論文

2019年，谷歌的研究人員曾聲稱他們已經(jīng)實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，也就是量子計算擁有的計算能力超越所有經(jīng)典計算機。但是，IBM當(dāng)時就抨擊了谷歌，認(rèn)為谷歌夸大了量子計算的性能，誤導(dǎo)公眾。周三，IBM的研究人員表示，他們已經(jīng)找到了一些新的、更有用的方法，盡管名字更低調(diào)。

“我們正在進入一個被我稱之為‘實用性’的量子計算階段，”IBM量子業(yè)務(wù)副總裁杰伊·甘貝塔(Jay Gambetta)說，“實用的時代?！?/p>

耶路撒冷希伯來大學(xué)計算機科學(xué)教授多里特·阿哈羅諾夫(Dorit Aharonov)沒有參與這項研究，他對此表示：“IBM在這里展示的東西，確實是朝著嚴(yán)肅量子算法設(shè)計取得進展的方向，邁出了重要一步，令人驚訝?！?/p>

如何降低誤差？

在這項新研究中，IBM的研究人員執(zhí)行了一項不同的任務(wù)，該任務(wù)引起了物理學(xué)家的興趣。他們使用一個擁有127個量子比特的量子處理器來模擬127個原子尺度的磁鐵棒在磁場中的行為。這些磁鐵棒小到足以被量子力學(xué)的奇特規(guī)則所控制。這是一個簡單的系統(tǒng)，被稱為伊辛模型(Ising model)，它經(jīng)常被用來研究物質(zhì)的鐵磁性。

IBM在實驗中使用的量子處理器

這個問題過于復(fù)雜，即使在最大最快的超級計算機上也無法計算出精確的答案。但是在量子計算機上，計算只需不到千分之一秒就能完成。不過，每次量子計算都是不可靠的，因為量子噪聲(指任何單色光都存在的漲落)的波動不可避免地會對計算進行干擾并引起誤差，但每次計算都很快，因此可以重復(fù)執(zhí)行。

實際上，在許多計算中，研究人員故意添加了額外的噪聲，使得答案更加不可靠。但通過改變噪聲的數(shù)量，研究人員可以推斷出噪聲的具體特征以及它在每個計算步驟中的影響。

“我們可以非常精確地放大噪聲，然后我們可以重新運行相同的電路，”IBM量子能力和演示經(jīng)理、《自然》論文的作者之一阿比納夫·坎達(dá)拉(Abhinav Kandala)表示，“一旦我們得到了這些不同噪音水平的結(jié)果，我們就可以推斷出在沒有噪聲情況下的結(jié)果?！?/p>

從本質(zhì)上講，研究人員能夠從不可靠的量子計算中去除噪聲的影響，這一過程被他們稱之為“誤差緩解”。“你必須通過發(fā)明非常巧妙的方法來減輕噪聲的影響，從而繞過噪聲，”阿哈羅諾夫博士說道，“這正是他們所做的?！?/p>

準(zhǔn)確性如何？

為了得出127個磁鐵棒產(chǎn)生的總體磁化強度的答案，IBM的量子計算機總共進行了60萬次計算。答案的準(zhǔn)確度怎么樣？

為了尋求幫助，IBM團隊找到了加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家。盡管具有127個磁鐵棒的伊辛模型太大，有太多可能的配置，無法適用于傳統(tǒng)的計算機，但經(jīng)典計算機算法可以產(chǎn)生近似的答案。這種技術(shù)類似于JPEG圖像壓縮時丟棄不太重要的數(shù)據(jù)以減小文件大小，同時保留圖像的大部分細(xì)節(jié)。

IBM量子計算研究人員

加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授、《自然》雜志論文的作者之一邁克爾·扎勒特爾(Michael Zaletel)說，當(dāng)他開始與IBM合作時，他認(rèn)為他的經(jīng)典計算機算法會比量子算法做得更好?！敖Y(jié)果和我預(yù)期的有點不同?！痹仗貭柌┦空f。

結(jié)果顯示，量子計算機可以對伊辛模型的某些配置精確求解。在更簡單的例子上，經(jīng)典算法和量子算法的答案一致。對于更復(fù)雜但可解的實例，量子算法和經(jīng)典算法產(chǎn)生了不同的答案，但量子算法給出的是正確答案。

加州大學(xué)伯克利分校的研究生薩揚特·阿南德(Sajant Anand)在經(jīng)典近似研究上做了大量工作，他根據(jù)上述實驗結(jié)果認(rèn)為，對于量子計算和經(jīng)典計算的結(jié)果不一致而且不知道精確解的其他情況，“有理由相信量子計算的結(jié)果更精確”。

目前還不清楚量子計算是否能夠在伊辛模型中無可爭議地勝過經(jīng)典計算。阿南德目前正試圖為經(jīng)典算法增加一個降低誤差的版本，它有可能達(dá)到或超過量子計算的性能。

“沒有明顯的跡象表明他們在這里實現(xiàn)了量子霸權(quán)?！痹仗貭栒f。

臨時解決方案

從長遠(yuǎn)來看，量子科學(xué)家預(yù)計另外一種不同的方法，即糾錯，能夠檢測和糾正計算錯誤，這將為量子計算機的許多用途打開大門。

目前，糾錯方法已經(jīng)在傳統(tǒng)計算機和數(shù)據(jù)傳輸中被用于修復(fù)錯誤。但對于量子計算機來說，糾錯可能還需要幾年的時間，需要更好的處理器來處理更多的量子比特。

IBM的科學(xué)家們認(rèn)為，誤差緩解是一種臨時解決方案，現(xiàn)在可以用于解決伊辛模型之外日益復(fù)雜的問題。

“這是現(xiàn)有最簡單的自然科學(xué)問題之一，”甘貝塔博士說，“所以這是一個很好的開始。但現(xiàn)在的問題是，你如何推廣它，去解決更有趣的自然科學(xué)問題？”這些問題可能包括弄清楚異域材料的性質(zhì)，加速藥物發(fā)現(xiàn)和模擬聚變反應(yīng)。(作者/簫雨)