需要說(shuō)明的是，傳統計算機的基本二進(jìn)制單位是 0 和 1，要么是 0，要么就是 1。但是在量子計算中，它的基本計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，這種現象被稱(chēng)之為量子的疊加態(tài)。量子計算機正是通過(guò)量子疊加實(shí)現同時(shí)存儲大量信息的功能。因此，它們可以在處理復雜任務(wù)時(shí)，快速存儲大量數據，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(chǎng)、磁場(chǎng)、宇宙輻射) 也可能導致疊加態(tài)的坍縮，造成計算錯誤。所以，目前世界上還沒(méi)能造出一臺沒(méi)有誤差、且用途廣泛的量子計算機。
周三，IBM 研究人員宣布，他們已經(jīng)設計出一種方法來(lái)管理量子計算的不可靠性，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《容錯前的量子計算實(shí)用性證據》。容錯量子計算指的是有量子糾錯保護的量子計算。
2019 年，谷歌的研究人員曾聲稱(chēng)他們已經(jīng)實(shí)現了“量子霸權”，也就是量子計算擁有的計算能力超越所有經(jīng)典計算機。但是，IBM 當時(shí)就抨擊了谷歌，認為谷歌夸大了量子計算的性能，誤導公眾。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。
“我們正在進(jìn)入一個(gè)被我稱(chēng)之為‘實(shí)用性’的量子計算階段，”IBM 量子業(yè)務(wù)副總裁杰伊 甘貝塔 (Jay Gambetta) 說(shuō)，“實(shí)用的時(shí)代。”
耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)計算機科學(xué)教授多里特 阿哈羅諾夫 (Dorit Aharonov) 沒(méi)有參與這項研究，他對此表示：“IBM 在這里展示的東西，確實(shí)是朝著(zhù)嚴肅量子算法設計取得進(jìn)展的方向，邁出了重要一步，令人驚訝。”
如何降低誤差?
在這項新研究中，IBM 的研究人員執行了一項不同的任務(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(lái)模擬 127 個(gè)原子尺度的磁鐵棒在磁場(chǎng)中的行為。這些磁鐵棒小到足以被量子力學(xué)的奇特規則所控制。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統，被稱(chēng)為伊辛模型 (Ising model)，它經(jīng)常被用來(lái)研究物質(zhì)的鐵磁性。
這個(gè)問(wèn)題過(guò)于復雜，即使在最大最快的超級計算機上也無(wú)法計算出精確的答案。但是在量子計算機上，計算只需不到千分之一秒就能完成。不過(guò)，每次量子計算都是不可靠的，因為量子噪聲 (指任何單色光都存在的漲落) 的波動(dòng)不可避免地會(huì )對計算進(jìn)行干擾并引起誤差，但每次計算都很快，因此可以重復執行。
實(shí)際上，在許多計算中，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(guò)改變噪聲的數量，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 坎達拉 (Abhinav Kandala) 表示，“一旦我們得到了這些不同噪音水平的結果，我們就可以推斷出在沒(méi)有噪聲情況下的結果。”
從本質(zhì)上講，研究人員能夠從不可靠的量子計算中去除噪聲的影響，這一過(guò)程被他們稱(chēng)之為“誤差緩解”。“你必須通過(guò)發(fā)明非常巧妙的方法來(lái)減輕噪聲的影響，從而繞過(guò)噪聲，”阿哈羅諾夫博士說(shuō)道，“這正是他們所做的。”
準確性如何?
為了得出 127 個(gè)磁鐵棒產(chǎn)生的總體磁化強度的答案，IBM 的量子計算機總共進(jìn)行了 60 萬(wàn)次計算。答案的準確度怎么樣?
為了尋求幫助，IBM 團隊找到了加州大學(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(wú)法適用于傳統的計算機，但經(jīng)典計算機算法可以產(chǎn)生近似的答案。這種技術(shù)類(lèi)似于 JPEG 圖像壓縮時(shí)丟棄不太重要的數據以減小文件大小，同時(shí)保留圖像的大部分細節。
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(shuō)，當他開(kāi)始與 IBM 合作時(shí)，他認為他的經(jīng)典計算機算法會(huì )比量子算法做得更好。“結果和我預期的有點(diǎn)不同。”扎勒特爾博士說(shuō)。
結果顯示，量子計算機可以對伊辛模型的某些配置精確求解。在更簡(jiǎn)單的例子上，經(jīng)典算法和量子算法的答案一致。對于更復雜但可解的實(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特 阿南德 (Sajant Anand) 在經(jīng)典近似研究上做了大量工作，他根據上述實(shí)驗結果認為，對于量子計算和經(jīng)典計算的結果不一致而且不知道精確解的其他情況，“有理由相信量子計算的結果更精確”。
目前還不清楚量子計算是否能夠在伊辛模型中無(wú)可爭議地勝過(guò)經(jīng)典計算。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，它有可能達到或超過(guò)量子計算的性能。
“沒(méi)有明顯的跡象表明他們在這里實(shí)現了量子霸權。”扎勒特爾說(shuō)。
臨時(shí)解決方案
從長(cháng)遠來(lái)看，量子科學(xué)家預計另外一種不同的方法，即糾錯，能夠檢測和糾正計算錯誤，這將為量子計算機的許多用途打開(kāi)大門(mén)。
目前，糾錯方法已經(jīng)在傳統計算機和數據傳輸中被用于修復錯誤。但對于量子計算機來(lái)說(shuō)，糾錯可能還需要幾年的時(shí)間，需要更好的處理器來(lái)處理更多的量子比特。
IBM 的科學(xué)家們認為，誤差緩解是一種臨時(shí)解決方案，現在可以用于解決伊辛模型之外日益復雜的問(wèn)題。
“這是現有最簡(jiǎn)單的自然科學(xué)問(wèn)題之一，”甘貝塔博士說(shuō)，“所以這是一個(gè)很好的開(kāi)始。但現在的問(wèn)題是，你如何推廣它，去解決更有趣的自然科學(xué)問(wèn)題?”這些問(wèn)題可能包括弄清楚異域材料的性質(zhì)，加速藥物發(fā)現和模擬聚變反應。
