不久后，量子计算机将有实际应用？

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：视觉中国

2019年，谷歌的物理学家率先表明，他们的量子计算机已经达到了可以执行任何经典计算机都无法与之匹敌的计算任务的地步，实现了量子计算机领域期待已久的里程碑——量子霸权。不过，它所涉及的是没有实际应用的小众计算。（详见《量子霸权之争》）

6月14日，谷歌在量子计算方面最主要的竞争对手IBM与加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的合作者，在《自然》杂志上发表了一项新的研究，表明量子计算机将很快在像计算材料的性质或基本粒子的相互作用等现实任务上，击败普通计算机。

IBM的量子计算机被安置在一个低温容器（中间）里，周围环绕着一团用于控制和读出量子比特的电缆。（图/IBM）

量子噪声  

量子计算机的发展虽然进展不断，但它们仍然非常容易出错，这些量子噪声是量子计算的主要障碍，因为它们会导致计算中出现错误。

无论是谷歌还是IBM，他们都是在微小的超导电路上对量子比特进行编码的。当这些灵敏的超导电路纠缠在一起用于计算时，热量和振动等不可避免的干扰会改变纠缠，带来错误。纠缠度越大，噪声的影响就越严重。

一种普遍被接受的观点是，在真正能够充分地降低量子比特的出错率之前，量子计算机都不会真正超越经典的超级计算机。这种量子纠错技术需要为每个量子比特提供大量额外的量子比特——用额外的量子比特来监测错误，然后纠正它们。然而，这种方法在实现时面临巨大的挑战，而且它是否可以实际应用于更大数量的量子比特还有待观察。

在新的研究中，IBM的研究人员提出了一种抑制错误而不是纠正错误来带来有用的计算。他们发展出了一种被称之为“零噪声外推（ZNE）”的错误抑制（error mitigation）策略，这种策略使用概率性方法，通过增加量子设备上的噪声来达到抑制噪声的效果。

用噪声抑制噪声  

在这种新的错误抑制策略中，研究人员会在量子电路中可控地增加噪音，产生更嘈杂、更不准确的答案，然后反推：如果没有这些噪声，将会得到什么答案。

在Eagle量子处理器中充当量子比特的单个电路。（图/Carl De Torres of StoryTK / IBM）

这种反推是建立在对影响量子电路的噪声有着很好的理解，并预测噪声会如何影响输出的基础之上的。具体来说，根据这些量子电路在设备中的位置、制造过程中的微观缺陷和其他一些因素，它们遵循着相对可预测的模式。利用这些知识，他们对每个量子比特的噪声进行了精确的测量，然后反推出他们得到的二维固体的完全磁化状态在没有噪声的情况下会是什么样子。

Eagle是一款由IBM在2021年推出的基于127个量子比特的量子处理器。在短短几周的时间里，研究人员在Eagle处理器上进行了越来越复杂的计算，涉及到全部的127个量子比特和多达60个处理步骤。接着，他们又在伯克利实验室的Cori超级计算机和Lawrencium集群，以及普渡大学的Anvil超级计算机上，用最先进的经典方法进行了相同的计算。

用于冷却Eagle处理器的低温恒温器内部视图。（图/IBM）

要在经典计算机上精确地模拟127个纠缠的量子比特，需要有天文数量级的内存，因为它拥有2¹²⁷个量子态。为了简化这个问题，研究人员使用了逼近技术，在合理的时间内以合理的成本在经典计算机上解决这个问题。这种方法有点像压缩图像，即去掉一些不太重要的信息，只保留可在可用内存范围内获得准确答案所需的信息。

错误抑制的潜力  

他们的结果证实了量子计算机对于不太复杂的计算结果的准确性。但随着计算复杂性的增加，量子计算机与经典计算机会出现差异。研究人员表示，虽然他们无法证明量子计算对最复杂的问题给出的答案是否正确，但根据Eagle在之前的运行情况，他们倾向于相信是正确的。

目前，关于错误抑制策略是否适用于更多量子比特或更深入的计算，还有待观察，但研究人员认为，这种抑制错误的策略所导致的结果令人鼓舞。当然，也有一些研究人员对这种方法的潜力不太乐观，他们认为，只有量子纠错才能实现即使在最大的经典超级计算机上也无法实现的计算。

尽管如此，新的结果让IBM在短期之内对这种抑制错误策略充满了信心。虽然从长远来看，IBM和其他大多数公司都希望能实现量子纠错，但在那之前，还有多重挑战需要克服。

参考来源：

https://news.berkeley.edu/2023/06/14/new-technique-in-error-prone-quantum-computing-makes-classical-computers-sweat/

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

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