IBM：量子计算机已经在做繁重的工作

冷却IBM Quantum Eagle（一个127量子位的量子处理器）的低温恒温器的内部视图

蓝色巨人为超级计算机混淆计算带来量子比特强度

尽管量子计算机理论上有一天会很强大，但它们目前很容易出错，以至于它们的最终效用经常受到质疑。然而，现在，IBM认为量子计算可能比预期更早地进入一个新的实用时代，其127量子位的Eagle量子计算机有可能在有用的问题上提供准确的结果，即使是今天的超级计算机也无法解决。

(资料图片仅供参考)

从理论上讲，量子计算机可以找到经典计算机需要亿万年才能解决的问题的答案。量子计算机链接在一起的组件（称为量子比特或量子比特）越多，它能够以指数方式执行的更基本的计算（称为量子门）。

“这些方法可以应用于其他更通用的电路。 ——克里斯坦·泰姆，IBM

量子计算机面临的关键问题是，众所周知，它们容易受到最轻微干扰的破坏。当今最先进的量子计算机通常每1次操作中大约出现一次错误，许多实际应用要求错误率降低十亿倍或更多。

科学家们希望有朝一日能够建造出所谓的容错量子计算机，它可以拥有许多冗余量子比特。这样，即使几个量子比特失败，量子纠错技术也可以帮助量子计算机检测并解释这些错误。

然而，现有的量子计算机是所谓的噪声中尺度量子（NISQ）平台。这意味着它们错误百出，量子比特太少，无法成功运行量子纠错技术。

尽管目前量子计算处于早期性质，但谷歌和其他公司之前的实验声称，量子计算机可能已经进入了“量子优势”、“量子至上”或“量子霸权”时代。反过来，批评者认为，这样的测试只表明量子计算机能够在人为的问题上胜过经典机器。因此，量子计算机是否足够好以证明现在有用，仍然存在激烈的争论。

现在，IBM透露，其Eagle量子处理器可以准确地模拟常规计算机难以模拟超过一定程度复杂性的物理。该公司表示，这些模拟不仅对研究人员来说是实际使用的，而且他们开发的方法可以应用于今天在量子机器上运行的其他类型的算法。

在实验中，研究人员让IBM的量子计算机对材料中电子自旋的动力学进行建模，以预测其特性，例如磁化。这个模型是科学家非常了解的模型，使研究人员更容易验证量子计算机结果的正确性。

“重要的是，我们的方法不仅限于这个特定的模型，”该研究的共同作者Kristan Temme说，他是纽约约克镇高地IBM托马斯J.沃森研究中心的量子物理学家。“这些方法可以应用于其他更通用的电路。

这张图表显示了量子计算机与最先进的经典近似方法的性能，与精确的经典“蛮力”方法相比，用于一系列日益具有挑战性的计算问题

与此同时，加州大学伯克利分校的科学家在经典超级计算机上进行了这些模拟的版本，以比较量子计算机的性能。他们使用了两套技术。暴力仿真提供了最准确的结果，但也需要太多的处理能力来模拟大型复杂系统。另一方面，近似方法可以估计大系统的答案，但系统越大，它们通常证明准确性越来越低。

该图表比较了量子计算机与经典近似方法的性能，超出了精确的经典“蛮力”方法的能力

在最大的规模下，量子计算机的速度大约是经典近似方法的三倍，在九小时内找到答案，而30小时。更重要的是，研究人员发现，随着模型规模的增加，量子计算机与经典的蛮力模拟相匹配，而经典的近似方法变得不那么准确。

“我们在这项工作中所做的是证明我们可以大规模运行量子电路并获得正确的结果，这一直受到质疑，许多人认为在当前的设备上是不可行的，”Temme说。

当比较显示量子结果与经典近似方法不一致时，“我们最初认为实验犯了一个错误，”Temme说。他补充说，“当时得知量子计算机匹配的是经典的蛮力模拟，而不是经典的近似方法，这”令人惊讶”。

“我们希望这将导致方法之间的来回切换，量子计算机最终将获胜。 ——克里斯坦·泰姆，IBM

科学家们进行了测试，他们从运行127步的60，2个量子门的880个量子比特中产生了结果。他们指出，量子计算机理论上可以用68个量子比特做什么，这已经超出了经典蛮力模拟能够计算的范围。尽管研究人员无法证明量子计算机在使用超过68个量子比特时提供的答案是否正确，但他们认为，它在以前的运行中的成功使他们确信它是正确的。

IBM的科学家警告说，他们并不是说他们的量子计算机比经典计算更好。他们说，未来的研究可能很快就会发现，普通计算机可能会为这些实验中使用的计算找到正确的答案。

“我们希望这将导致方法之间的来回，量子计算机最终将获胜，”Temme说。

无论如何，即使量子计算机还没有完全超越经典计算机，这些新发现表明，它们仍然可能对普通计算机发现非常困难的问题有用。这表明我们现在可能正在进入量子计算效用的新时代，IBM高级副总裁兼主任Darío Gil在一份声明中表示。

IBM指出，其量子硬件显示出比以前更稳定的量子比特和更低的错误率。然而，新的发现取决于IBM所谓的“量子错误缓解”技术，该技术检查量子计算机的输出，以解释和消除其电路所经历的噪声。

IBM在新研究中使用的量子误差缓解策略，零噪声外推，在量子处理器可能从其环境中经历的不同噪声水平上重复量子计算。这有助于研究人员推断量子计算机在没有噪声的情况下会计算出什么。

“最终，我们将希望拥有一台容错的量子计算机。长期方向必须是将这些结果一直桥接到我们可以使用量子纠错的点。 ——克里斯坦·泰姆，IBM “我们的硬件和我们的错误缓解方法现在都处于可以用来开始实施过去五到十年提出的绝大多数近期算法的水平，看看哪种算法实际上提供了量子优势在实践中，”Temme说。

零噪声外推的一个缺点是它确实需要量子计算机多次运行其电路。“对于我们在这里使用的零噪声外推方法，我们需要在三个不同的噪声水平下运行相同的实验，”Temme说。“这是计算中每个数据点都必须支付的成本，也就是说，每次我们使用处理器时。

IBM指出，这些新发现代表了这种规模的量子误差缓解的早期结果。“我们认为这些方法仍有相当大的改进空间，”Temme说。他补充说，未来的研究还可以测试量子误差缓解是否能够像公司希望的那样普遍适用于除该模型之外的其他类型的量子应用。

IBM表示，其在日本，德国和美国的合作伙伴地点的云端和现场运行的量子计算机将在明年由至少127个量子比特提供动力。

“最终，我们将希望拥有一台容错的量子计算机，”Temme说。“长期方向必须是将这些结果一直桥接到我们可以使用量子纠错的点。我们希望这将推动硬件开发，现在每个组件方面的改进都转化为可以运行的更复杂的计算，从而更平稳地过渡到容错设备。

科学家们于6月14日在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。