量子計(jì)算新里程碑登Nature封面！100+量子比特?zé)o需糾錯(cuò)，超越經(jīng)典計(jì)算|當(dāng)前熱訊

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編輯：編輯部

【新智元導(dǎo)讀】今天，IBM首次驗(yàn)證100+量子比特，無需糾錯(cuò)，依然可取得精確結(jié)果，甚至超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。最新研究登上Nature封面。

今天的Nature封面，屬于IBM。

IBM、加州大學(xué)伯克利分校最新研究展示了「一條通往有用量子計(jì)算的道路」。

首次證明，100+量子比特的量子處理器，可以取得精確結(jié)果，并超越領(lǐng)先的經(jīng)典方法。

最重要的是，無需糾錯(cuò)就可超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

IBM的首席執(zhí)行官表示，這是里程碑的證明，標(biāo)志著量子計(jì)算可實(shí)際應(yīng)用！

四年前，谷歌聲稱自家量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了「量子霸權(quán)」，但只是在沒有實(shí)際應(yīng)用的小眾計(jì)算方面取得突破。

最新Nature論文稱，量子計(jì)算機(jī)很快將在有用任務(wù)上擊敗普通計(jì)算機(jī)。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3

論文中，研究人員在IBM 127量子比特鷹（Eagle）量子處理器上模擬了磁性材料的行為。

至關(guān)重要的是，他們?cè)O(shè)法繞過了「量子噪聲」，取得了可靠結(jié)果。要知道，量子噪聲會(huì)引入計(jì)算誤差，是這項(xiàng)技術(shù)的主要障礙。

敲開「量子優(yōu)勢(shì)」大門

一直以來，量子優(yōu)勢(shì)是量子計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。IBM將量子優(yōu)勢(shì)定義為，實(shí)際案例中量子算法運(yùn)行時(shí)間顯著改進(jìn)。

到目前為止，還沒有有用的應(yīng)用證明量子優(yōu)勢(shì)，原因很簡單：

量子計(jì)算機(jī)噪聲大，容易出錯(cuò)，而且太小，無法解決現(xiàn)實(shí)世界的大問題。

然而，大多數(shù)關(guān)于量子優(yōu)勢(shì)的論文通常基于隨機(jī)電路采樣或高斯玻色子采樣，這兩種都不是有用應(yīng)用的方法。

在IBM看來，量子計(jì)算機(jī)必須解決3個(gè)主要問題，才能執(zhí)行有用任務(wù)：

- 需要一種處理量子噪聲的方法。

- 量子比特必須可擴(kuò)展到大量數(shù)字。

- 量子處理器必須具有足夠的速度（以每秒電路層操作或CLOPS衡量）。

其中，量子計(jì)算噪聲與可以解決的問題規(guī)模之間有直接關(guān)系。

噪聲大了便會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，而未糾正的錯(cuò)誤就會(huì)限制電路中加入的量子比特?cái)?shù)量，這反過來又限制了算法的復(fù)雜性。

顯然，量子計(jì)算的「錯(cuò)誤控制」很重要，即需要量子糾錯(cuò)（QEC）。

而IBM偏偏逆行其道，無需進(jìn)行糾錯(cuò)，就超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)，甚至還實(shí)現(xiàn)了100+量子比特有用性。

論文中，研究人員轉(zhuǎn)而使用一種方法，有意放大噪聲，然后測(cè)量不同級(jí)別的處理器噪聲。

對(duì)此，物理學(xué)家對(duì)每個(gè)量子比特中的噪聲進(jìn)行了精確測(cè)量。

研究人員使用127個(gè)量子比特的Eagle R3處理器，模擬了127個(gè)相互作用的自旋狀態(tài)。

在模擬中，每個(gè)量子比特都扮演了自旋的角色，使用深度為60的兩個(gè)量子比特gates。

實(shí)驗(yàn)顯示，他們能夠運(yùn)行涉及所有「鷹」的127個(gè)量子比特和多達(dá)60個(gè)處理步驟的計(jì)算，比任何其他報(bào)道的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)都要多。

這些結(jié)果驗(yàn)證了IBM的短期戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略旨在通過緩解錯(cuò)誤（而非糾正）來提供有用計(jì)算。

研究人員采用「錯(cuò)誤緩解」技術(shù)使得團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)行「經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以達(dá)到的規(guī)?！沟牧孔佑?jì)算。

加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理學(xué)家Santa Barbara（帶領(lǐng)谷歌團(tuán)隊(duì)創(chuàng)下2019年里程碑）稱，

盡管他們所攻克的問題使用的是一種簡單化、不現(xiàn)實(shí)的材料模型，但讓人們對(duì)它將適用于其他系統(tǒng)和更復(fù)雜的算法的未來更加樂觀。

有噪聲，不怕

IBM量子能力和演示部門的經(jīng)理Abhinav Kandala表示，關(guān)鍵部分在于，能在脈沖展寬（pulse stretching）之外控制噪聲。

「一旦開始工作，我們就可以進(jìn)行更復(fù)雜的推斷，從而抑制噪聲產(chǎn)生的偏差。這在以前是實(shí)現(xiàn)不了的。」

這種噪聲放大正是IBM所需的最后一塊拼圖。

有了有代表性的噪聲模型，人們就可以更準(zhǔn)確地控制并放大噪聲。然后，就可以應(yīng)用經(jīng)典的后處理方法來推斷出沒有噪聲的計(jì)算結(jié)果，使用的方法叫做「零噪聲推斷」（Zero Noise Extrapolation，ZNE）。

同時(shí)，錯(cuò)誤緩解（Error mitigation）需要高性能的硬件。IBM必須在規(guī)模、質(zhì)量和速度上不斷推進(jìn)。

有了127比特的IBM量子鷹處理器，IBM終于有了能夠運(yùn)行足夠大的電路的系統(tǒng)。

現(xiàn)在是時(shí)候來使用ZNE測(cè)試IBM SOTA級(jí)別的處理器了。

當(dāng)然，像ZNE這樣的「錯(cuò)誤緩解」技術(shù)并不是萬能的。

想要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的全部潛力，IBM需要在系統(tǒng)中建立冗余，并允許多個(gè)量子比特一起工作，相互糾正，即：糾錯(cuò)。

然而，通過錯(cuò)誤緩解，IBM意識(shí)到在全面糾錯(cuò)的時(shí)代到來之前，能夠找到了一種方法來生成某些種類下的精確計(jì)算，即使是有噪聲的量子計(jì)算機(jī)也能如此。

而這些計(jì)算可能會(huì)派上大用場(chǎng)。

IBM只是需要測(cè)試他們的錯(cuò)誤緩解技術(shù)是否真的有效。

首先，研究人員嘗試了在IMB的云服務(wù)上運(yùn)行越來越復(fù)雜的量子計(jì)算，然后和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做對(duì)比。

同時(shí)，IBM也需要一些外部專家來驗(yàn)證這些計(jì)算的正確性。于是他們借助了研究員Sajant Anand、Yantao Wu和來自加州大學(xué)伯克利分校的副教授Michael Zaletel的幫助。

有幾種方法可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)行量子電路。

第一種是靠蠻力——計(jì)算期望值，類似于物理學(xué)系的學(xué)生手算期望值的方法。這需要首先將關(guān)于波函數(shù)的所有信息寫進(jìn)一個(gè)列表，然后創(chuàng)建一個(gè)矩陣來進(jìn)行計(jì)算。

每增加一個(gè)量子比特這些方法的難度也會(huì)隨之增加一倍，因此，研究人員最終無法捕捉到足夠大的電路的復(fù)雜性。

但是對(duì)于量子電路的一個(gè)小子集來說，有一些技巧可以讓研究人員使用粗暴的計(jì)算方法來得出精確的答案，即使電路使用了IBM量子鷹的全部127個(gè)量子比特也能做到。

IBM從這些電路和方法開始，對(duì)經(jīng)典和量子方法分別進(jìn)行了相應(yīng)的基準(zhǔn)測(cè)試。

為了處理更復(fù)雜的電路，伯克利團(tuán)隊(duì)使用了使用兩種不同的張量網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（TNS）方法，用更少的數(shù)字近似波函數(shù)。

這種經(jīng)典的近似方法試圖將許多量子比特的量子狀態(tài)表示為張量的網(wǎng)絡(luò)。TNS帶有一套指令，說明如何用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以及如何用這些數(shù)據(jù)并恢復(fù)出有關(guān)量子狀態(tài)的特定信息，如期望值等等。

這種方法有點(diǎn)像圖像壓縮，在計(jì)算能力和空間有限的情況下，為了只保留獲得準(zhǔn)確答案所需的信息，甩掉不太重要的信息。

實(shí)驗(yàn)將按如下方式進(jìn)行：IBM將使用量子鷹處理器的所有127個(gè)量子比特來模擬一個(gè)系統(tǒng)的變化行為，該系統(tǒng)將自然映射到量子計(jì)算機(jī)中，稱為量子伊辛模型（Ising model）。

伊辛模型是對(duì)自然界的簡化，它將相互作用的原子表示為一個(gè)能量場(chǎng)中的量子系統(tǒng)的晶格。

IBM將使用ZNE來嘗試并準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)的一個(gè)屬性，即平均磁化。該期望值基本上就是電路可能出現(xiàn)的結(jié)果的加權(quán)平均值。

同時(shí)，加州大學(xué)伯克利分校的團(tuán)隊(duì)將在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）和普渡大學(xué)的先進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下，嘗試使用張量網(wǎng)絡(luò)方法模擬同一系統(tǒng)。

具體來說，IBM的計(jì)算一部分將在NERSC的「Cori」超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，一部分在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部 「Lawrencium」集群上運(yùn)行，一部分在普渡大學(xué)由國家科學(xué)基金會(huì)資助的「Anvil」超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

然后，IBM將把這兩者與精確的方法進(jìn)行比較，看看兩者的表現(xiàn)如何。

從結(jié)果來看，量子方法與精確方法保持一致。但是隨著難度的增加，經(jīng)典的近似方法開始出問題了。

最后，IBM要求這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行超出可以精確計(jì)算的計(jì)算結(jié)果，他們對(duì)這個(gè)結(jié)果充滿了信心。

為世界帶來有用量子計(jì)算

近來，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)是否能在完全實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)之前為有用任務(wù)提供計(jì)算優(yōu)勢(shì)存在爭論。

容錯(cuò)是最終目標(biāo)，「錯(cuò)誤緩解」是讓量子計(jì)算變得有用性的途徑。

IBM最新論文讓人們看到，有噪聲的量子計(jì)算機(jī)，也能夠提供價(jià)值。

這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是，現(xiàn)在可以使用「鷹」全部127個(gè)量子比特來運(yùn)行一個(gè)相當(dāng)大的深度電路，并且數(shù)字是正確的。

這篇論文是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，表明IBM正在進(jìn)入量子優(yōu)勢(shì)時(shí)代。他們此前說過量子優(yōu)勢(shì)是一條持續(xù)的道路，需要做到兩件事：

首先，我們必須證明量子計(jì)算機(jī)可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。其次，我們必須找到加速有用問題，并弄清楚如何將它們映射到量子比特上。

最新論文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一點(diǎn)。對(duì)量子領(lǐng)域來說，這是一個(gè)重要時(shí)刻。

而IBM這一步還只是起點(diǎn)，網(wǎng)友稱他們會(huì)在今年年底實(shí)現(xiàn)在1000+量子比特取得精確結(jié)果。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-01965-3

https://research.ibm.com/blog/utility-toward-useful-quantum

https://www.nytimes.com/2023/06/14/science/ibm-quantum-computing.html

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