Nature封面：量子計算機離實際應用還有兩年

IBM宣布，最快兩年之內(nèi)，量子計算機就能投入實際應用了！

IBM團隊在其鷹（Eagle）量子處理器上成功模擬了一種磁性材料的行為。

這標示著量子計算投入實際應用的最大障礙已經(jīng)得到解決。

△搭載「鷹」芯片的量子計算機

這種障礙叫做“量子噪聲”，會導致計算結果出現(xiàn)錯誤。

研究團隊對處理器中的每一個量子比特的噪聲逐一進行測量，推測出了零噪聲情況下系統(tǒng)的狀態(tài)。

根據(jù)觀察和推測結果，團隊研發(fā)出了全新的“誤差緩解”技術。利用這種技術，團隊在127量子比特的鷹處理器上成功進行了一次復雜運算。

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

最新一期的Nature Podcast當中也介紹了這一研究成果。

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

而今年晚些時候，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)的計算機。

但實際上，量子計算機并未投入實際應用。原因有點無語——量子運算雖然快，但是錯誤率也很高。而出錯背后的罪魁禍首，就是量子噪聲。

根據(jù)海森堡測不準原理，環(huán)境中無時無刻不充滿波動的能量，哪怕溫度低到絕對零度，也無法消除。

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

但量子計算機是由大量量子組成的復雜系統(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認為，還需保證量子處理器具有一定的規(guī)模和運算速度。

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

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)的抵消方式是對誤差信息實時監(jiān)測并建立抵消算法，但隨著量子比特數(shù)的增多，也出現(xiàn)了性能瓶頸。

IBM團隊研發(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鍵技術：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量子比特的操作時間，使量子誤差被放大，更加有利于觀測。這一過程中，IBM采用了物理學上常用的伊辛模型（Ising model）。

其最基本的假設是相互作用只在最近鄰的自旋之間存在。

具體到這一項目，量子比特的排列方式是設定模型點陣排列方式的依據(jù)。盡管排列方式一致，伊辛模型卻是獨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)模型外推出零點值，即為沒有誤差存在時的運算結果。

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)可以進行一些運算操作。

IBM團隊將其成果送到了加州大學伯克利分校進行效果測評，和他們的超級計算機進行比較。

結果顯示，鷹芯片驅(qū)動的量子計算機的計算結果與真實值的接近程度遠高于傳統(tǒng)計算機。

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也在逐步擴大其處理器所包含的量子比特數(shù)量。

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

來源： XRer