Nature封面：量子計算機離實際應用還有兩年

IBM宣佈，最快兩年之內，量子計算機就能投入實際應用瞭！

IBM團隊在其鷹（Eagle）量子處理器上成功模擬瞭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，推測出瞭零噪聲情況下系統的狀態。

根據觀察和推測結果，團隊研發出瞭全新的“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瞭一次復雜運算。

IBM量子研發部門高級主管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。

相關論文已經在最新一期的Nature中發表，並登上封面。

最新一期的Nature Podcast當中也介紹瞭這一研究成果。

節目當中主持人評價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”。

而今年晚些時候，IBM還將發佈1121量子比特的禿鷹（Condor）芯片。

消滅不掉噪聲，就抵消它

由於量子糾纏效應的存在，量子不隻有0和1兩種存在方式，還有它們的疊加態。

這使得量子運算的效率從理論上看顯著高於傳統的隻有0和1兩種狀態的計算機。

但實際上，量子計算機並未投入實際應用。

原因有點無語——量子運算雖然快，但是錯誤率也很高。

而出錯背後的罪魁禍首，就是量子噪聲。

根據海森堡測不準原理，環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瞭它們之間彼此的擁擠、碰撞，這就是量子噪聲的來源。

對於單個量子，噪聲帶來的誤差可能並不高（低於1%）。

但量子計算機是由大量量子組成的復雜系統，各量子產生的誤差疊加之後就變得不可忽視瞭。

除瞭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，對於量子噪聲，現在普遍采用的處理方式是抵消其影響，而非直接消除。

傳統的抵消方式是對誤差信息實時監測並建立抵消算法，但隨著量子比特數的增多，也出現瞭性能瓶頸。

IBM團隊研發瞭一種全新的抵消方式，繞開瞭這一瓶頸的限制。

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，更加有利於觀測。

這一過程中，IBM采用瞭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隻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。

盡管排列方式一致，伊辛模型卻是獨立於處理器硬件存在的。

零噪聲外推則是根據采集到的放大不同比例後的誤差信息（采集量遠低於傳統方式），建立函數模型。

根據函數模型外推出零點值，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，但經過這種方式抵消一些誤差後的量子處理器已經可以進行一些運算操作。

IBM團隊將其成果送到瞭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，鷹芯片驅動的量子計算機的計算結果與真實值的接近程度遠高於傳統計算機。

不過，IBM的研究人員指出，采用這種抵消方式消除噪聲影響隻是一種短期策略。

IBM也在逐步擴大其處理器所包含的量子比特數量。

據研究人員預計，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。