長(zhǎng)久以來(lái)，“量子”總是被人們用來(lái)當(dāng)做“玄學(xué)”的科學(xué)代稱，“猶豫不決，量子力學(xué)”這句話更是流傳深遠(yuǎn)?；逎y懂的“量子”無(wú)法用宏觀的知識(shí)去普及，所以有很大一部分人對(duì)于“量子”持懷疑態(tài)度。

不過(guò)最近幾年里，“量子”的作用通過(guò)一個(gè)個(gè)實(shí)體或事件被人們知道，這就像一個(gè)“黑盒”，人們不用去知道黑盒里面是什么技術(shù)，只需要知道黑盒能夠做什么便會(huì)對(duì)黑盒產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的變化。

2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——墨子號(hào)發(fā)射升空，人類(lèi)首次完成了衛(wèi)星與地面的量子通信。2022年10月，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予科學(xué)家阿蘭·阿斯佩，約翰·弗朗西斯·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們?yōu)榧m纏光子實(shí)驗(yàn)、證明違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)性的量子信息科學(xué)所作出的貢獻(xiàn)。當(dāng)即掀起了一陣量子狂潮。

與“墨子號(hào)”這種大型實(shí)驗(yàn)型量子產(chǎn)品不同，“量子計(jì)算機(jī)”因?yàn)橐恢北挥米髋c傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比較，其概念要更深入人心。

相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，宣傳上一般都會(huì)提到量子計(jì)算機(jī)在一些問(wèn)題上的處理速度是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的數(shù)倍。但并未提及，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用前景。目前量子計(jì)算機(jī)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是，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，而許多實(shí)際應(yīng)用要求錯(cuò)誤率降低十億倍或更多。

不過(guò)近日IBM透露，其Eagle量子計(jì)算機(jī)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)雜性的問(wèn)題。該公司表示，這些模擬不僅對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是實(shí)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。

為了解決量子易被干擾的問(wèn)題，IBM使用了“零噪聲外推”技術(shù)，這是IBM去年宣布的一項(xiàng)新的“錯(cuò)誤緩解”技術(shù)。通過(guò)在不同的噪聲水平下重復(fù)計(jì)算，IBM科學(xué)家可以估計(jì)出量子計(jì)算機(jī)在沒(méi)有噪聲的情況下會(huì)計(jì)算出什么。

作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，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)行了這些運(yùn)算。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，但需要太多的運(yùn)算能力來(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。

結(jié)果表明，相比經(jīng)典近似算法，量子計(jì)算機(jī)在最大規(guī)模下速度提升了三倍，在規(guī)模進(jìn)一步增加后，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果與暴力算法相匹配，而近似算法變得不準(zhǔn)確。起初科學(xué)家以為是量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，但是最終結(jié)果與暴力算法一致，讓他們更加堅(jiān)信量子計(jì)算機(jī)的準(zhǔn)確性。這也讓IBM更加確信，在超過(guò)經(jīng)典算法所能豈及的算力高度后，量子計(jì)算機(jī)仍能獲得可靠的結(jié)果。

目前，“零噪聲外推”技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是需要多次運(yùn)行電路以模擬量子在零噪聲環(huán)境下的狀態(tài)，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致成本上升。不過(guò)IBM認(rèn)為這些方法仍有相當(dāng)大的改進(jìn)空間，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。

“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?！?/p>