量子計算新里程碑登Nature封面！100+量子比特無需糾錯，超越經(jīng)典計算|當前熱訊

新智元報道

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編輯：編輯部

【新智元導讀】今天，IBM首次驗證100+量子比特，無需糾錯，依然可取得精確結果，甚至超越經(jīng)典計算機。最新研究登上Nature封面。

今天的Nature封面，屬于IBM。

IBM、加州大學伯克利分校最新研究展示了「一條通往有用量子計算的道路」。

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

最重要的是，無需糾錯就可超越經(jīng)典計算機。

IBM的首席執(zhí)行官表示，這是里程碑的證明，標志著量子計算可實際應用！

四年前，谷歌聲稱自家量子計算機已經(jīng)實現(xiàn)了「量子霸權」，但只是在沒有實際應用的小眾計算方面取得突破。

最新Nature論文稱，量子計算機很快將在有用任務上擊敗普通計算機。

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。

至關重要的是，他們設法繞過了「量子噪聲」，取得了可靠結果。要知道，量子噪聲會引入計算誤差，是這項技術的主要障礙。

敲開「量子優(yōu)勢」大門

一直以來，量子優(yōu)勢是量子計算的一個關鍵里程碑。IBM將量子優(yōu)勢定義為，實際案例中量子算法運行時間顯著改進。

到目前為止，還沒有有用的應用證明量子優(yōu)勢，原因很簡單：

量子計算機噪聲大，容易出錯，而且太小，無法解決現(xiàn)實世界的大問題。

然而，大多數(shù)關于量子優(yōu)勢的論文通?；陔S機電路采樣或高斯玻色子采樣，這兩種都不是有用應用的方法。

在IBM看來，量子計算機必須解決3個主要問題，才能執(zhí)行有用任務：

- 需要一種處理量子噪聲的方法。

- 量子比特必須可擴展到大量數(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，量子計算噪聲與可以解決的問題規(guī)模之間有直接關系。

噪聲大了便會導致錯誤，而未糾正的錯誤就會限制電路中加入的量子比特數(shù)量，這反過來又限制了算法的復雜性。

顯然，量子計算的「錯誤控制」很重要，即需要量子糾錯（QEC）。

而IBM偏偏逆行其道，無需進行糾錯，就超越了經(jīng)典計算機，甚至還實現(xiàn)了100+量子比特有用性。

論文中，研究人員轉而使用一種方法，有意放大噪聲，然后測量不同級別的處理器噪聲。

對此，物理學家對每個量子比特中的噪聲進行了精確測量。

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

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

實驗顯示，他們能夠運行涉及所有「鷹」的127個量子比特和多達60個處理步驟的計算，比任何其他報道的量子計算實驗都要多。

這些結果驗證了IBM的短期戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略旨在通過緩解錯誤（而非糾正）來提供有用計算。

研究人員采用「錯誤緩解」技術使得團隊能夠進行「經(jīng)典計算機難以達到的規(guī)?！沟牧孔佑嬎恪?/p>

加州大學圣巴巴拉分校物理學家Santa Barbara（帶領谷歌團隊創(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)實的材料模型，但讓人們對它將適用于其他系統(tǒng)和更復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，我們就可以進行更復雜的推斷，從而抑制噪聲產(chǎn)生的偏差。這在以前是實現(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，人們就可以更準確地控制并放大噪聲。然后，就可以應用經(jīng)典的后處理方法來推斷出沒有噪聲的計算結果，使用的方法叫做「零噪聲推斷」（Zero Noise Extrapolation，ZNE）。

同時，錯誤緩解（Error mitigation）需要高性能的硬件。IBM必須在規(guī)模、質量和速度上不斷推進。

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

現(xiàn)在是時候來使用ZNE測試IBM SOTA級別的處理器了。

當然，像ZNE這樣的「錯誤緩解」技術并不是萬能的。

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

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

而這些計算可能會派上大用場。

IBM只是需要測試他們的錯誤緩解技術是否真的有效。

首先，研究人員嘗試了在IMB的云服務上運行越來越復雜的量子計算，然后和傳統(tǒng)計算機做對比。

同時，IBM也需要一些外部專家來驗證這些計算的正確性。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)典計算機運行量子電路。

第一種是靠蠻力——計算期望值，類似于物理學系的學生手算期望值的方法。這需要首先將關于波函數(shù)的所有信息寫進一個列表，然后創(chuàng)建一個矩陣來進行計算。

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

但是對于量子電路的一個小子集來說，有一些技巧可以讓研究人員使用粗暴的計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個量子比特也能做到。

IBM從這些電路和方法開始，對經(jīng)典和量子方法分別進行了相應的基準測試。

為了處理更復雜的電路，伯克利團隊使用了使用兩種不同的張量網(wǎng)絡狀態(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。TNS帶有一套指令，說明如何用這些數(shù)據(jù)進行計算，以及如何用這些數(shù)據(jù)并恢復出有關量子狀態(tài)的特定信息，如期望值等等。

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

實驗將按如下方式進行：IBM將使用量子鷹處理器的所有127個量子比特來模擬一個系統(tǒng)的變化行為，該系統(tǒng)將自然映射到量子計算機中，稱為量子伊辛模型（Ising model）。

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

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

同時，加州大學伯克利分校的團隊將在勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）和普渡大學的先進超級計算機的幫助下，嘗試使用張量網(wǎng)絡方法模擬同一系統(tǒng)。

具體來說，IBM的計算一部分將在NERSC的「Cori」超級計算機上運行，一部分在勞倫斯伯克利國家實驗室的內部 「Lawrencium」集群上運行，一部分在普渡大學由國家科學基金會資助的「Anvil」超級計算機上運行。

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

從結果來看，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要求這兩臺計算機運行超出可以精確計算的計算結果，他們對這個結果充滿了信心。

為世界帶來有用量子計算

近來，關于量子計算機是否能在完全實現(xiàn)糾錯之前為有用任務提供計算優(yōu)勢存在爭論。

容錯是最終目標，「錯誤緩解」是讓量子計算變得有用性的途徑。

IBM最新論文讓人們看到，有噪聲的量子計算機，也能夠提供價值。

這項工作的關鍵是，現(xiàn)在可以使用「鷹」全部127個量子比特來運行一個相當大的深度電路，并且數(shù)字是正確的。

這篇論文是一個節(jié)點，表明IBM正在進入量子優(yōu)勢時代。他們此前說過量子優(yōu)勢是一條持續(xù)的道路，需要做到兩件事：

首先，我們必須證明量子計算機可以超越經(jīng)典計算機。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)實現(xiàn)了第一點。對量子領域來說，這是一個重要時刻。

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

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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