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、磁場、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，目前世界上還沒能造出一臺沒有誤差、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，“實(shí)用的時(shí)代?！?/p>
耶路撒冷希伯來大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授多里特?阿哈羅諾夫 (Dorit Aharonov) 沒有參與這項(xiàng)研究，他對此表示：“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?！?/p>
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模擬 127 個(gè)原子尺度的磁鐵棒在磁場中的行為。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)簡單的系統(tǒng)，被稱為伊辛模型 (Ising model)，它經(jīng)常被用來研究物質(zhì)的鐵磁性。
這個(gè)問題過于復(fù)雜，即使在最大最快的超級計(jì)算機(jī)上也無法計(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，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。但通過改變噪聲的數(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，這一過程被他們稱之為“誤差緩解”?！澳惚仨毻ㄟ^發(fā)明非常巧妙的方法來減輕噪聲的影響，從而繞過噪聲，”阿哈羅諾夫博士說道，“這正是他們所做的。”
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，當(dāng)他開始與 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?！敖Y(jié)果和我預(yù)期的有點(diǎn)不同?！痹仗貭柌┦空f。
結(jié)果顯示，量子計(jì)算機(jī)可以對伊辛模型的某些配置精確求解。在更簡單的例子上，經(jīng)典算法和量子算法的答案一致。對于更復(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可爭議地勝過經(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)到或超過量子計(jì)算的性能。
“沒有明顯的跡象表明他們在這里實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)?！痹仗貭栒f。
臨時(shí)解決方案
從長遠(yuǎn)來看，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)的許多用途打開大門。
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。但對于量子計(jì)算機(jī)來說，糾錯(cuò)可能還需要幾年的時(shí)間，需要更好的處理器來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)雜的問題。
“這是現(xiàn)有最簡單的自然科學(xué)問題之一，”甘貝塔博士說，“所以這是一個(gè)很好的開始。但現(xiàn)在的問題是，你如何推廣它，去解決更有趣的自然科學(xué)問題？”這些問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)。
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