量子計(jì)算的重大突破？IBM稱攻克了「不可靠」難題

　　北京時(shí)間6月15日消息，四年前，谷歌曾宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，引發(fā)了人們對(duì)量子計(jì)算的關(guān)注。但是在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，量子計(jì)算始終存在“可靠性”難題。同一個(gè)計(jì)算重復(fù)多次，它很可能每次都會(huì)得出不同的答案。周三，“藍(lán)巨人”IBM聲稱，他們找到了一種解決量子計(jì)算可靠性的方法。

　　需要說(shuō)明的是，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本二進(jìn)制單位是0和1，要么是0，要么就是1。但是在量子計(jì)算中，它的基本計(jì)量單位量子比特既可以是0，也可以是1，還可以既是0也是1，這種現(xiàn)象被稱之為量子的疊加態(tài)。量子計(jì)算機(jī)正是通過(guò)量子疊加實(shí)現(xiàn)同時(shí)存儲(chǔ)大量信息的功能。因此，它們可以在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)，快速存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，探索多種可能并選擇最有效的解決途徑。

　　但是，由于保持量子比特的疊加態(tài)是件非常困難的事，最微小的環(huán)境變化(振動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、宇宙輻射)也可能導(dǎo)致疊加態(tài)的坍縮，造成計(jì)算錯(cuò)誤。所以，目前世界上還沒(méi)能造出一臺(tái)沒(méi)有誤差、且用途廣泛的量子計(jì)算機(jī)。

　　周三，IBM研究人員宣布，他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法來(lái)管理量子計(jì)算的不可靠性，從而得出可靠、有用的答案。IBM科學(xué)家已經(jīng)把研究論文發(fā)表在了《自然》雜志上，題為《容錯(cuò)前的量子計(jì)算實(shí)用性證據(jù)》。容錯(cuò)量子計(jì)算指的是有量子糾錯(cuò)保護(hù)的量子計(jì)算。

　　2019年，谷歌的研究人員曾聲稱他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，也就是量子計(jì)算擁有的計(jì)算能力超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)。但是，IBM當(dāng)時(shí)就抨擊了谷歌，認(rèn)為谷歌夸大了量子計(jì)算的性能，誤導(dǎo)公眾。周三，IBM的研究人員表示，他們已經(jīng)找到了一些新的、更有用的方法，盡管名字更低調(diào)。

　　“我們正在進(jìn)入一個(gè)被我稱之為‘實(shí)用性’的量子計(jì)算階段，”IBM量子業(yè)務(wù)副總裁杰伊·甘貝塔(Jay Gambetta)說(shuō)，“實(shí)用的時(shí)代。”

　　耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授多里特·阿哈羅諾夫(Dorit Aharonov)沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他對(duì)此表示：“IBM在這里展示的東西，確實(shí)是朝著嚴(yán)肅量子算法設(shè)計(jì)取得進(jìn)展的方向，邁出了重要一步，令人驚訝。”

　　01 如何降低誤差？

　　在這項(xiàng)新研究中，IBM的研究人員執(zhí)行了一項(xiàng)不同的任務(wù)，該任務(wù)引起了物理學(xué)家的興趣。他們使用一個(gè)擁有127個(gè)量子比特的量子處理器來(lái)模擬127個(gè)原子尺度的磁鐵棒在磁場(chǎng)中的行為。這些磁鐵棒小到足以被量子力學(xué)的奇特規(guī)則所控制。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，被稱為伊辛模型(Ising model)，它經(jīng)常被用來(lái)研究物質(zhì)的鐵磁性。

　　這個(gè)問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，即使在*最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)上也無(wú)法計(jì)算出精確的答案。但是在量子計(jì)算機(jī)上，計(jì)算只需不到千分之一秒就能完成。不過(guò)，每次量子計(jì)算都是不可靠的，因?yàn)榱孔釉肼?指任何單色光都存在的漲落)的波動(dòng)不可避免地會(huì)對(duì)計(jì)算進(jìn)行干擾并引起誤差，但每次計(jì)算都很快，因此可以重復(fù)執(zhí)行。

　　實(shí)際上，在許多計(jì)算中，研究人員故意添加了額外的噪聲，使得答案更加不可靠。但通過(guò)改變?cè)肼暤臄?shù)量，研究人員可以推斷出噪聲的具體特征以及它在每個(gè)計(jì)算步驟中的影響。

　　“我們可以非常精確地放大噪聲，然后我們可以重新運(yùn)行相同的電路，”IBM量子能力和演示經(jīng)理、《自然》論文的作者之一阿比納夫·坎達(dá)拉(Abhinav Kandala)表示，“一旦我們得到了這些不同噪音水平的結(jié)果，我們就可以推斷出在沒(méi)有噪聲情況下的結(jié)果。”

　　從本質(zhì)上講，研究人員能夠從不可靠的量子計(jì)算中去除噪聲的影響，這一過(guò)程被他們稱之為“誤差緩解”。“你必須通過(guò)發(fā)明非常巧妙的方法來(lái)減輕噪聲的影響，從而繞過(guò)噪聲，”阿哈羅諾夫博士說(shuō)道，“這正是他們所做的。”

　　02  準(zhǔn)確性如何？

　　為了得出127個(gè)磁鐵棒產(chǎn)生的總體磁化強(qiáng)度的答案，IBM的量子計(jì)算機(jī)總共進(jìn)行了60萬(wàn)次計(jì)算。答案的準(zhǔn)確度怎么樣?

　　為了尋求幫助，IBM團(tuán)隊(duì)找到了加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家。盡管具有127個(gè)磁鐵棒的伊辛模型太大，有太多可能的配置，無(wú)法適用于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，但經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法可以產(chǎn)生近似的答案。這種技術(shù)類似于JPEG圖像壓縮時(shí)丟棄不太重要的數(shù)據(jù)以減小文件大小，同時(shí)保留圖像的大部分細(xì)節(jié)。

　　加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授、《自然》雜志論文的作者之一邁克爾·扎勒特爾(Michael Zaletel)說(shuō)，當(dāng)他開(kāi)始與IBM合作時(shí)，他認(rèn)為他的經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法會(huì)比量子算法做得更好。“結(jié)果和我預(yù)期的有點(diǎn)不同。”扎勒特爾博士說(shuō)。

　　結(jié)果顯示，量子計(jì)算機(jī)可以對(duì)伊辛模型的某些配置精確求解。在更簡(jiǎn)單的例子上，經(jīng)典算法和量子算法的答案一致。對(duì)于更復(fù)雜但可解的實(shí)例，量子算法和經(jīng)典算法產(chǎn)生了不同的答案，但量子算法給出的是正確答案。

　　加州大學(xué)伯克利分校的研究生薩揚(yáng)特·阿南德(Sajant Anand)在經(jīng)典近似研究上做了大量工作，他根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，對(duì)于量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的結(jié)果不一致而且不知道精確解的其他情況，“有理由相信量子計(jì)算的結(jié)果更精確”。

　　目前還不清楚量子計(jì)算是否能夠在伊辛模型中無(wú)可爭(zhēng)議地勝過(guò)經(jīng)典計(jì)算。阿南德目前正試圖為經(jīng)典算法增加一個(gè)降低誤差的版本，它有可能達(dá)到或超過(guò)量子計(jì)算的性能。

　　“沒(méi)有明顯的跡象表明他們?cè)谶@里實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。”扎勒特爾說(shuō)。

　　03  臨時(shí)解決方案

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，量子科學(xué)家預(yù)計(jì)另外一種不同的方法，即糾錯(cuò)，能夠檢測(cè)和糾正計(jì)算錯(cuò)誤，這將為量子計(jì)算機(jī)的許多用途打開(kāi)大門(mén)。

　　目前，糾錯(cuò)方法已經(jīng)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸中被用于修復(fù)錯(cuò)誤。但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，糾錯(cuò)可能還需要幾年的時(shí)間，需要更好的處理器來(lái)處理更多的量子比特。

　　IBM的科學(xué)家們認(rèn)為，誤差緩解是一種臨時(shí)解決方案，現(xiàn)在可以用于解決伊辛模型之外日益復(fù)雜的問(wèn)題。

　　“這是現(xiàn)有最簡(jiǎn)單的自然科學(xué)問(wèn)題之一，”甘貝塔博士說(shuō)，“所以這是一個(gè)很好的開(kāi)始。但現(xiàn)在的問(wèn)題是，你如何推廣它，去解決更有趣的自然科學(xué)問(wèn)題?”這些問(wèn)題可能包括弄清楚異域材料的性質(zhì)，加速藥物發(fā)現(xiàn)和模擬聚變反應(yīng)。