Nature封面：量子計(jì)算機(jī)離實(shí)際應(yīng)用還有兩年

IBM宣布，最快兩年之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)就能投入實(shí)際應(yīng)用了！

IBM團(tuán)隊(duì)在其鷹（Eagle）量子處理器上成功模擬了一種磁性材料的行為。

這標(biāo)示著量子計(jì)算投入實(shí)際應(yīng)用的最大障礙已經(jīng)得到解決。

這種障礙叫做“量子噪聲”，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)處理器中的每一個(gè)量子比特的噪聲逐一進(jìn)行測量，推測出了零噪聲情況下系統(tǒng)的狀態(tài)。

根據(jù)觀察和推測結(jié)果，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了全新的“誤差緩解”技術(shù)。利用這種技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在127量子比特的鷹處理器上成功進(jìn)行了一次復(fù)雜運(yùn)算。

IBM量子研發(fā)部門高級(jí)主管Sarah Sheldon表示，我們可以開始設(shè)想用量子計(jì)算機(jī)解決一些此前無解的問題。相關(guān)論文已經(jīng)在最新一期的Nature中發(fā)表，并登上封面。

最新一期的Nature Podcast當(dāng)中也介紹了這一研究成果。

節(jié)目當(dāng)中主持人評(píng)價(jià)IBM在量子計(jì)算不被看好的情況下做出的這一舉動(dòng)“十分勇敢”但也“擁有確鑿證據(jù)”。

而今年晚些時(shí)候，IBM還將發(fā)布1121量子比特的禿鷹（Condor）芯片。

#消滅不掉噪聲，就抵消它

由于量子糾纏效應(yīng)的存在，量子不只有0和1兩種存在方式，還有它們的疊加態(tài)。這使得量子運(yùn)算的效率從理論上看顯著高于傳統(tǒng)的只有0和1兩種狀態(tài)的計(jì)算機(jī)。

但實(shí)際上，量子計(jì)算機(jī)并未投入實(shí)際應(yīng)用。原因有點(diǎn)無語——量子運(yùn)算雖然快，但是錯(cuò)誤率也很高。而出錯(cuò)背后的罪魁禍?zhǔn)祝褪橇孔釉肼暋?/p>

根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，環(huán)境中無時(shí)無刻不充滿波動(dòng)的能量，哪怕溫度低到絕對(duì)零度，也無法消除。

量子永不停息的波動(dòng)導(dǎo)致了它們之間彼此的擁擠、碰撞，這就是量子噪聲的來源。對(duì)于單個(gè)量子，噪聲帶來的誤差可能并不高（低于1%）。

但量子計(jì)算機(jī)是由大量量子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各量子產(chǎn)生的誤差疊加之后就變得不可忽視了。

除了要解決量子噪聲問題，IBM認(rèn)為，還需保證量子處理器具有一定的規(guī)模和運(yùn)算速度。

消除量子噪聲的過程稱為量子糾錯(cuò)，方法是用更多的量子比特來描述一個(gè)量子比特，以便有錯(cuò)誤時(shí)可以糾正。

但這一思路的缺陷明顯——我們根本無法操控如此之多的量子比特。因此，對(duì)于量子噪聲，現(xiàn)在普遍采用的處理方式是抵消其影響，而非直接消除。

傳統(tǒng)的抵消方式是對(duì)誤差信息實(shí)時(shí)監(jiān)測并建立抵消算法，但隨著量子比特?cái)?shù)的增多，也出現(xiàn)了性能瓶頸。

IBM團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種全新的抵消方式，繞開了這一瓶頸的限制。這種方式的核心是兩種關(guān)鍵技術(shù)：脈沖拉伸（Pulse Stretching）和零噪聲外推（Zero Noise Extrapolation）。

脈沖拉伸是通過延長每個(gè)量子比特的操作時(shí)間，使量子誤差被放大，更加有利于觀測。這一過程中，IBM采用了物理學(xué)上常用的伊辛模型（Ising model）。

其最基本的假設(shè)是相互作用只在最近鄰的自旋之間存在。

具體到這一項(xiàng)目，量子比特的排列方式是設(shè)定模型點(diǎn)陣排列方式的依據(jù)。盡管排列方式一致，伊辛模型卻是獨(dú)立于處理器硬件存在的。

零噪聲外推則是根據(jù)采集到的放大不同比例后的誤差信息（采集量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方式），建立函數(shù)模型。根據(jù)函數(shù)模型外推出零點(diǎn)值，即為沒有誤差存在時(shí)的運(yùn)算結(jié)果。

盡管仍存在一定的局限性，但經(jīng)過這種方式抵消一些誤差后的量子處理器已經(jīng)可以進(jìn)行一些運(yùn)算操作。

IBM團(tuán)隊(duì)將其成果送到了加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行效果測評(píng)，和他們的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較。

結(jié)果顯示，鷹芯片驅(qū)動(dòng)的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值的接近程度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

不過，IBM的研究人員指出，采用這種抵消方式消除噪聲影響只是一種短期策略。

IBM也在逐步擴(kuò)大其處理器所包含的量子比特?cái)?shù)量。

據(jù)研究人員預(yù)計(jì)，到2033年將制造出超過10萬量子比特的處理器，屆時(shí)量子誤差將得到根源性的解決。