IBM宣布：量子計(jì)算正式進(jìn)入實(shí)用階段！

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2023年6月14日，IBM宣布了一項(xiàng)新的突破，首次證明了量子計(jì)算機(jī)可以在100多個(gè)量子位的規(guī)模上產(chǎn)生精確的結(jié)果，超越了領(lǐng)先的經(jīng)典方法。目前該突破發(fā)表在科學(xué)雜志《自然》的封面上。

IBM表示，量子計(jì)算的最終目標(biāo)之一是模擬經(jīng)典計(jì)算機(jī)從未有效模擬過(guò)的材料成分。能夠?qū)@些進(jìn)行建模是朝著解決諸如設(shè)計(jì)更高效的肥料、制造更好的電池和開(kāi)發(fā)新藥等挑戰(zhàn)的能力邁出的關(guān)鍵一步。但今天的量子系統(tǒng)本質(zhì)上是有噪聲的，它們會(huì)產(chǎn)生大量的誤差，阻礙性能。這是由于量子比特或量子位的脆弱性以及來(lái)自其環(huán)境的干擾。

IBM表示，在他們的實(shí)驗(yàn)中，IBM團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，量子計(jì)算機(jī)有可能通過(guò)學(xué)習(xí)和減輕系統(tǒng)中的錯(cuò)誤，來(lái)超越領(lǐng)先的經(jīng)典模擬。該團(tuán)隊(duì)使用了由127個(gè)超導(dǎo)量子位組成的IBM Quantum Eagle量子處理器來(lái)生成大型糾纏態(tài)，模擬材料模型中自旋的動(dòng)力學(xué)，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其磁化強(qiáng)度等特性。

為了驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，數(shù)周以來(lái)，IBM Quantum和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員輪流進(jìn)行越來(lái)越復(fù)雜的物理模擬。IBM Quantum的科學(xué)家Youngseok Kim和Andrew Eddins將在127量子位的IBM Quantum Eagle處理器上測(cè)試它們。加州大學(xué)伯克利分校的Sajant Anand將在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心 (NERSC)和普渡大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用最先進(jìn)的經(jīng)典近似方法進(jìn)行同樣的計(jì)算。他們會(huì)對(duì)照精確的暴力經(jīng)典計(jì)算來(lái)檢查每種方法。

最終，IBM Quantum Eagle處理器每次都給出了準(zhǔn)確的答案。隨著模擬變得越來(lái)越復(fù)雜，觀(guān)察這兩種計(jì)算范式的表現(xiàn)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都感到有信心，即使在超出“暴力”方法能力的情況下，量子計(jì)算機(jī)仍然比經(jīng)典近似方法更準(zhǔn)確地返回答案。

Eddins說(shuō)：“量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算在如此大的問(wèn)題上的一致程度讓我個(gè)人感到非常驚訝。希望它能給每個(gè)人留下深刻印象?！?/p>

IBM表示，研究人員正在合作測(cè)試當(dāng)今嘈雜、易出錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)是否有助于計(jì)算某些類(lèi)型問(wèn)題的準(zhǔn)確結(jié)果。今天，他們?cè)凇蹲匀弧冯s志的封面上發(fā)表了這項(xiàng)研究的結(jié)果。IBM Quantum和加州大學(xué)伯克利分校已經(jīng)提供了證據(jù)，證明有噪聲的量子計(jì)算機(jī)將能夠比預(yù)期更快地提供價(jià)值，這一切都要?dú)w功于IBM Quantum硬件的進(jìn)步和新的錯(cuò)誤緩解方法的開(kāi)發(fā)。

不過(guò)，需要注意的是，這并不是說(shuō)今天的量子計(jì)算機(jī)超過(guò)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力——其他經(jīng)典方法和專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)也可能很快就會(huì)為我們測(cè)試的計(jì)算返回正確答案。但這不是重點(diǎn)。量子運(yùn)行復(fù)雜電路和經(jīng)典計(jì)算機(jī)驗(yàn)證量子結(jié)果的持續(xù)來(lái)回，將改善經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算，同時(shí)為用戶(hù)提供對(duì)近期量子計(jì)算機(jī)能力的信心。

IBM Quantum量子理論與能力高級(jí)經(jīng)理Sarah Sheldon表示：“我們可以開(kāi)始將量子計(jì)算機(jī)視為研究其他難以研究的問(wèn)題的工具。”

IBM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)Darío Gil表示：“這是我們第一次看到量子計(jì)算機(jī)在領(lǐng)先的經(jīng)典方法之外，對(duì)自然界中的物理系統(tǒng)進(jìn)行精確建模。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這一里程碑是證明當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)有能力、有科學(xué)工具可以用來(lái)模擬經(jīng)典系統(tǒng)極其困難——甚至不可能——的問(wèn)題的重要一步，標(biāo)志著我們現(xiàn)在正進(jìn)入量子計(jì)算實(shí)用的新時(shí)代?！?/p>

如何消除誤差？

早在2017年，IBM Quantum團(tuán)隊(duì)的研究人員就宣布了一項(xiàng)突破：使用量子計(jì)算機(jī)模擬了氫化鋰和氫化鈹?shù)刃》肿拥哪芰俊＿@些模擬非常令人興奮。但由于量子系統(tǒng)中的噪聲，它們遠(yuǎn)未達(dá)到化學(xué)家所關(guān)心的精度或尺寸。但是這也為IBM真正的了解為什么這些模擬會(huì)出錯(cuò)奠定了基礎(chǔ)。

大約在同一時(shí)間，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇理論論文，成功樹(shù)立了一個(gè)重要的路標(biāo)。如果我們能真正了解出現(xiàn)噪聲的原因，那么我們就有可能消除噪音的影響。然后，也許我們可以從嘈雜的量子計(jì)算機(jī)信息中提取出某些問(wèn)題的有用信息。

之后，IBM Quantum團(tuán)隊(duì)意識(shí)到可以使用與通過(guò)脈沖拉伸技術(shù)控制量子位相同的技術(shù)來(lái)放大噪聲的影響。從本質(zhì)上講，如果增加在每個(gè)量子位上運(yùn)行單獨(dú)操作所需的時(shí)間，那么就會(huì)按相同的因子縮放噪聲量。

基于脈沖拉伸技術(shù)使該團(tuán)隊(duì)在2019年用四個(gè)量子位顯著提高了LiH模擬的準(zhǔn)確性。但問(wèn)題仍然存在：這些方法可以擴(kuò)展到什么程度？

IBM在將這些減少誤差的模擬擴(kuò)展到26個(gè)量子位后發(fā)現(xiàn)，這些方法可以產(chǎn)生比從經(jīng)典計(jì)算機(jī)中有效獲得的近似更接近理想答案的結(jié)果。這基本上為IBM當(dāng)前的工作制定了藍(lán)圖。如果能夠提高硬件的規(guī)模和質(zhì)量，并開(kāi)發(fā)出更好地控制噪聲的方法，也許就可以在一定程度上準(zhǔn)確地估計(jì)期望值，使其對(duì)實(shí)際應(yīng)用有用。

這一突破成為該IBM Quantum團(tuán)隊(duì)在2022年發(fā)表在arXiv上的論文：《Probabilistic Error Cancellation,6 or PEC》。IBM意識(shí)到，根據(jù)其對(duì)機(jī)器的了解，可以假設(shè)一個(gè)基本的噪聲模型。然后，可以學(xué)習(xí)某些參數(shù)來(lái)創(chuàng)建具有代表性的噪聲模型。而且，當(dāng)多次重復(fù)相同的量子計(jì)算時(shí)，可以研究插入新的門(mén)來(lái)消除噪聲或放大噪聲的效果。這個(gè)模型與量子計(jì)算機(jī)的大小相當(dāng)——對(duì)大型處理器的噪聲建模不再是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

IBM Quantum的量子能力和演示經(jīng)理Abhinav Kandala說(shuō)：“關(guān)鍵是能夠操縱脈沖拉伸之外的噪音。一旦這開(kāi)始奏效，我們就可以進(jìn)行更復(fù)雜的推斷，以我們以前無(wú)法做到的方式抑制噪音中的偏見(jiàn)。”

這種噪音放大是難題的最后一塊，是使用具有代表性的噪聲模型，可以更準(zhǔn)確地操縱和放大噪聲。然后，可以使用一種稱(chēng)為零噪聲外推（ZNE）的方法，應(yīng)用經(jīng)典的后處理來(lái)外推到?jīng)]有噪聲的情況下的計(jì)算結(jié)果。

IBM表示，我們知道錯(cuò)誤緩解需要高性能的硬件，必須在規(guī)模、質(zhì)量和速度上不斷前進(jìn)。有了127量子位IBM Quantum Eagle處理器，我們終于有了能夠運(yùn)行足夠大的電路來(lái)應(yīng)變經(jīng)典方法的系統(tǒng)，具有比以往更好的相干時(shí)間和更低的錯(cuò)誤率。于是就開(kāi)始通過(guò)錯(cuò)誤緩解來(lái)測(cè)試其最先進(jìn)的量子處理器了。

△這張圖表說(shuō)明了ZNE噪聲放大的基本原理，這是量子系統(tǒng)中一種減少誤差的方法。使用ZNE技術(shù)，IBM將系統(tǒng)中的噪聲放大到不同的級(jí)別，并評(píng)估每個(gè)級(jí)別的噪聲。然后，將評(píng)估的數(shù)據(jù)與一些外推方法相結(jié)合，使我們能夠外推回零噪聲極限。

但是，像ZNE這樣的錯(cuò)誤緩解技術(shù)并不是萬(wàn)能的。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的全部潛力，需要在系統(tǒng)中建立冗余，并允許多個(gè)量子位協(xié)同工作來(lái)相互校正，這稱(chēng)為糾錯(cuò)。然而，通過(guò)減少誤差，IBM意識(shí)到，在全尺寸誤差校正時(shí)代之前，找到了一種方法來(lái)產(chǎn)生某些類(lèi)型的精確計(jì)算，即使是使用嘈雜的量子計(jì)算機(jī)。并證明這些計(jì)算可能是有用的。

那么只需要測(cè)試IBM的錯(cuò)誤緩解技術(shù)是否真的有效。首先在127位量子處理器上運(yùn)行越來(lái)越復(fù)雜的量子計(jì)算，然后用經(jīng)典計(jì)算機(jī)檢查我們的工作。但我們是一家量子計(jì)算公司——我們不應(yīng)該是用經(jīng)典計(jì)算機(jī)檢查自己工作的人。我們需要外部專(zhuān)家來(lái)驗(yàn)證這些計(jì)算是否正確。因此，我們尋求了研究員Sajant Anand、博士后研究員Yantao Wu和加州大學(xué)伯克利分校副教授Michael Zaletel的幫助。

有幾種方法可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)行量子電路。第一種是計(jì)算期望值的“暴力”方法，類(lèi)似于物理學(xué)生手工計(jì)算期望值。這需要首先將有關(guān)波函數(shù)的所有信息寫(xiě)入列表，然后創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字網(wǎng)格（也稱(chēng)為矩陣）來(lái)執(zhí)行計(jì)算。

△這張圖表顯示了量子計(jì)算機(jī)在一系列日益具有挑戰(zhàn)性的計(jì)算問(wèn)題上的性能，與最先進(jìn)的經(jīng)典近似方法相比，與精確的經(jīng)典“暴力”方法相比。

△這張圖表比較了量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典近似方法在超越精確經(jīng)典“暴力”方法能力的情況下的性能。

IBM投入了大量的研究精力來(lái)推進(jìn)糾錯(cuò)。然而，在完全實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)之前，近期量子硬件是否能為有用的問(wèn)題提供計(jì)算優(yōu)勢(shì)，這一問(wèn)題存在爭(zhēng)議。但是隨著這篇論文的發(fā)布，讓我們有充分的理由相信，有噪聲的量子計(jì)算機(jī)也將能夠提供價(jià)值。

“這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是，我們現(xiàn)在可以使用Eagle的所有127個(gè)量子位來(lái)運(yùn)行一個(gè)相當(dāng)大的深度電路，而且計(jì)算結(jié)果是正確的，”IBM Quantum量子算法理論小組的原理研究人員兼經(jīng)理Kristan Temme說(shuō)。

這篇論文是一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，表明我們正在進(jìn)入量子優(yōu)勢(shì)時(shí)代。我們?cè)缇驼f(shuō)過(guò)，量子優(yōu)勢(shì)將是一條連續(xù)的道路，需要兩件事：首先，我們必須證明量子計(jì)算機(jī)可以勝過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)；其次，我們必須找到加速有用的問(wèn)題，并找出如何將它們映射到量子位上。

IBM的研究使我們跨越了第一點(diǎn)；雖然我們展示了一種優(yōu)于領(lǐng)先經(jīng)典方法的量子算法，但我們完全希望經(jīng)典計(jì)算界能夠開(kāi)發(fā)出驗(yàn)證我們提出的結(jié)果的方法。然后我們將進(jìn)行更困難的計(jì)算。這種反復(fù)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是令人興奮的，因?yàn)樗褂?jì)算變得更好。

Sajant Anand說(shuō)：“它立即指出了新的經(jīng)典方法的必要性?！薄Ｋ麄円呀?jīng)在研究這些方法了。“現(xiàn)在，我們?cè)趩?wèn)，我們是否可以采用相同的誤差緩解概念，并將其應(yīng)用于經(jīng)典張量網(wǎng)絡(luò)模擬，看看我們是否可以獲得更好的經(jīng)典結(jié)果?！?/p>

同時(shí)，對(duì)于量子研究人員來(lái)說(shuō)，“這也是一種學(xué)習(xí)過(guò)程”，Youngseok Kim說(shuō)道?！拔覀?nèi)绾蝺?yōu)化我們的校準(zhǔn)策略來(lái)運(yùn)行這樣的量子電路？我們能期待什么，我們需要做些什么來(lái)改善未來(lái)的情況？在我們運(yùn)行項(xiàng)目的過(guò)程中，這些都是很好的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

IBM宣布其量子系統(tǒng)全面升級(jí)127 bit量子處理器

在實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作之后，IBM宣布，其在云上和合作伙伴位置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的IBM量子系統(tǒng)將全部升級(jí)至由至少127個(gè)量子bit的系統(tǒng)，該計(jì)劃將在明年完成。

這些處理器提供了足夠大的計(jì)算能力，足以超過(guò)某些應(yīng)用的經(jīng)典方法，并將提供比以前的IBM量子系統(tǒng)更好的相干時(shí)間和更低的錯(cuò)誤率。這些能力可以與不斷進(jìn)步的錯(cuò)誤緩解技術(shù)相結(jié)合，使IBM量子系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足行業(yè)的新閾值，IBM稱(chēng)之為“效用規(guī)?！保谶@一點(diǎn)上，量子計(jì)算機(jī)可以作為科學(xué)工具來(lái)探索經(jīng)典系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無(wú)法解決的新規(guī)模問(wèn)題。

IBM研究員兼IBM quantum副總裁Jay Gambetta表示：“隨著我們將有用的量子計(jì)算帶給世界的使命的推進(jìn)，我們有了探索一類(lèi)全新計(jì)算問(wèn)題所需的基石的確鑿證據(jù)。通過(guò)為我們的IBM量子系統(tǒng)配備能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用規(guī)模的處理器，我們邀請(qǐng)我們的客戶(hù)、合作伙伴和合作者將他們最困難的問(wèn)題帶到當(dāng)今量子系統(tǒng)的極限，并開(kāi)始提取真正的價(jià)值?！?/p>

IBM表示，所有IBM Quantum系統(tǒng)用戶(hù)都將能夠在大于100個(gè)量子位的公用事業(yè)規(guī)模處理器上運(yùn)行問(wèn)題。IBM量子春季挑戰(zhàn)賽的2000多名參與者在探索動(dòng)態(tài)電路時(shí)營(yíng)業(yè)可以使用這些公用事業(yè)規(guī)模的處理器，這項(xiàng)技術(shù)使運(yùn)行更先進(jìn)的量子算法變得更容易。

在歐洲建設(shè)全新量子數(shù)據(jù)中心

另?yè)?jù)外媒報(bào)道，IBM已宣布將在歐洲設(shè)立第一座量子數(shù)據(jù)中心，將擁有多個(gè) IBM 量子運(yùn)算系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)皆配備了“公共事業(yè)規(guī)模量子處理器”，即整體量子比特規(guī)模超過(guò) 100 個(gè)量子位。

據(jù)悉，該量子數(shù)據(jù)中心將建于德國(guó) Ehningen 的 IBM 園區(qū)，屆時(shí)會(huì)成為 IBM Quantum 歐洲區(qū)域云端中心（European Cloud Region），也是 2019 年 IBM 紐約州波基普西市（Poughkeepsie）開(kāi)設(shè)第一座量子數(shù)據(jù)中心和量子區(qū)域云端中心后第二座中心。

Jay Gambetta 表示，公用事業(yè)規(guī)模量子處理器時(shí)代到來(lái)，人們對(duì)云端量子運(yùn)算的研究興趣大增，IBM 量子數(shù)據(jù)中心將為歐洲先進(jìn)量子電腦使用者提供新選擇。

目前 IBM Quantum Network 成員有超過(guò) 60 家企業(yè)組織透過(guò)云端存取量子硬件與軟件，包括德國(guó)工業(yè)巨頭博世（Bosch）、德國(guó)大型粒子物理實(shí)驗(yàn)室“德國(guó)同步電子加速器”（Deutsches Elektronen-Synchrotron）、歐洲核物理研究中心（European Organization for Nuclear Research）及弗勞恩霍夫爾協(xié)會(huì)（Fraunhofer-Gesellschaft）。

今年5月，IBM 參加 G7 廣島峰會(huì)時(shí)還宣布為期十年、耗資 1 億美元的計(jì)劃，將與東京大學(xué)和芝加哥大學(xué)合作開(kāi)發(fā)由 IBM Quantum System Two 新世代的量子運(yùn)算系統(tǒng)，組成運(yùn)算規(guī)模超過(guò) 10 萬(wàn)個(gè)量子比特的量子運(yùn)算超級(jí)電腦，以解決最先進(jìn)超級(jí)電腦可能永遠(yuǎn)無(wú)法解決的最緊迫問(wèn)題。

IBM 打算擴(kuò)大東京和芝加哥的伙伴關(guān)係，并將阿岡國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）及費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab National Accelerator Laboratory）納入為合作伙伴，屆時(shí)兩機(jī)構(gòu)專(zhuān)業(yè)技術(shù)與知識(shí)，有助催生量子運(yùn)算超級(jí)電腦競(jìng)賽的技術(shù)。

編譯：芯計(jì)-浪客劍 資料來(lái)源：IBM官網(wǎng)