（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

十年前，量子計(jì)算還是一個(gè)概念。如今，世界各地的研究人員正基于IBM量子云訪問服務(wù)探索實(shí)現(xiàn)量子應(yīng)用，在IBM，每天運(yùn)行的量子電路多達(dá)30億。

我們的夢想是創(chuàng)造一種有用的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，它有明顯的量子優(yōu)勢，能做經(jīng)典處理器根本無法做到的事情。它將有望打破當(dāng)前的計(jì)算極限，與CPU和GPU一起，成為人類社會(huì)的有用工具。

但基于量子力學(xué)構(gòu)建一種執(zhí)行計(jì)算的硬件非常困難，噪聲是基本挑戰(zhàn)之一。最近，IBM發(fā)表“‘緩解量子誤差’，開創(chuàng)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)時(shí)代”一文，闡述了IBM如何在2023年實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢。

?

IBM 的量子路線圖（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

達(dá)到實(shí)用量子計(jì)算的方法

實(shí)用量子計(jì)算的試金石是為解決有用問題提供優(yōu)于經(jīng)典方法的“優(yōu)勢”。這種優(yōu)勢可以有多種形式，最突出的一種：相比于經(jīng)典算法，量子算法的運(yùn)行時(shí)間有實(shí)質(zhì)性的飛躍。為此，針對特定類型的問題，量子算法需要有效表示量子電路。

如何優(yōu)化嘈雜量子比特是量子計(jì)算機(jī)工程師們面臨的一大障礙。從本質(zhì)上講，量子計(jì)算機(jī)的處理能力越強(qiáng)，它的量子比特就越嘈雜。目前，抑制噪聲的常用方法是縮放量子比特，從而確保量子比特測量信號的強(qiáng)度。

當(dāng)量子硬件受到不同噪聲源的影響，會(huì)突出表現(xiàn)量子比特退相干、單個(gè)門誤差和測量誤差。這些誤差限制了量子電路的可實(shí)現(xiàn)深度，并且對于淺層電路來說，同樣存在噪聲誤差。為了減少噪聲對誤差的影響，IBM已經(jīng)形成了一整套解決方案，為解決淺深層量子電路噪聲問題提供解題思路。

ZNE與PEC

近年來，IBM開發(fā)并實(shí)施了兩種通用的量子誤差緩解方法：零噪聲外推法(ZNE) 和概率錯(cuò)誤消除 (PEC)。

ZNE，是指在不同噪聲條件下進(jìn)行計(jì)算，據(jù)此估算在沒有噪聲的情況下量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果，該研究已發(fā)表在《Nature》雜志上。IBM稱，該技術(shù)能在不需要改進(jìn)硬件的情況下提高量子計(jì)算的準(zhǔn)確性，可用于改善任何依賴于期望值的量子計(jì)算。并且ZNE方法首先已被證明可用于研究小分子的基態(tài)能量。

PEC，類似于常用降噪耳機(jī)中的主動(dòng)降噪方法，該系統(tǒng)將在定期檢查系統(tǒng)的噪音中，從本質(zhì)上反演這些噪音電路，輸出幾乎沒有錯(cuò)誤的結(jié)果。IBM表示，基于PEC方法，他們已經(jīng)在嘈雜的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子電路的無噪聲估計(jì)器。

在該文中，IBM還提供了一些在其量子處理其上運(yùn)行糾錯(cuò)電路與經(jīng)典電路的對比示例，并闡述了PEC方法的效果將隨電路深度的增加呈指數(shù)級提升。同時(shí)，PEC方法生成無噪聲估計(jì)器的能力可以與精確的經(jīng)典模擬進(jìn)行清晰的比較。

使用PEC緩解錯(cuò)誤的量子處理器有望勝過相應(yīng)的經(jīng)典算法

Hyperion Research的首席量子分析師 Bob Sorensen指出：“不僅僅是糾錯(cuò)本身，IBM對減少運(yùn)行時(shí)間所做的努力令人震驚。他們正從抽象的論點(diǎn)向?qū)嵱没D(zhuǎn)變：在運(yùn)行時(shí)改進(jìn)應(yīng)用程序。強(qiáng)調(diào)運(yùn)行時(shí)間是一個(gè)有趣的觀點(diǎn)，側(cè)面體現(xiàn)了IBM研究的三大領(lǐng)域——電路深度、錯(cuò)誤率和算法。這一冗長的文章是IBM在量子計(jì)算路線上穩(wěn)步發(fā)展的小結(jié)，以及其對緩解錯(cuò)誤工作的深入解釋。”

IBM的量子基礎(chǔ)設(shè)施主管Jerry Chow表示，我們展示出在使用量子硬件擴(kuò)展解決方案和加速經(jīng)典流程的能力等方面的巨大進(jìn)步，新的“緩解錯(cuò)誤”戰(zhàn)略標(biāo)志著IBM正從容錯(cuò)解決方案的發(fā)現(xiàn)階段轉(zhuǎn)向落地階段。

原文鏈接：
https://www.hpcwire.com/2022/07/19/new-ibm-blog-details-path-to-quantum-advantage-in-2023/

文：John Russell編譯：卉可編輯：慕一
注：本文編譯自“HPCwire”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。