當?shù)貢r間2023年6月14日，IBM宣布了一項新的突破，首次證明了量子計算機可以在100多個量子位的規(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，量子計算的最終目標之一是模擬經(jīng)典計算機從未有效模擬過的材料成分。能夠?qū)@些進行建模是朝著解決諸如設(shè)計更高效的肥料、制造更好的電池和開發(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自其環(huán)境的干擾。

IBM表示，在他們的實驗中，IBM團隊已經(jīng)證明，量子計算機有可能通過學(xué)習(xí)和減輕系統(tǒng)中的錯誤，來超越領(lǐng)先的經(jīng)典模擬。該團隊使用了由127個超導(dǎo)量子位組成的IBM Quantum Eagle量子處理器來生成大型糾纏態(tài)，模擬材料模型中自旋的動力學(xué)，并準確預(yù)測其磁化強度等特性。

為了驗證該模型的準確性，數(shù)周以來，IBM Quantum和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員輪流進行越來越復(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家實驗室的國家能源研究科學(xué)計算中心 (NERSC)和普渡大學(xué)的超級計算機上使用最先進的經(jīng)典近似方法進行同樣的計算。他們會對照精確的暴力經(jīng)典計算來檢查每種方法。

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

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

IBM表示，研究人員正在合作測試當今嘈雜、易出錯的量子計算機是否有助于計算某些類型問題的準確結(jié)果。今天，他們在《自然》雜志的封面上發(fā)表了這項研究的結(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算機將能夠比預(yù)期更快地提供價值，這一切都要歸功于IBM Quantum硬件的進步和新的錯誤緩解方法的開發(fā)。

不過，需要注意的是，這并不是說今天的量子計算機超過了經(jīng)典計算機的能力——其他經(jīng)典方法和專業(yè)計算機也可能很快就會為我們測試的計算返回正確答案。但這不是重點。量子運行復(fù)雜電路和經(jīng)典計算機驗證量子結(jié)果的持續(xù)來回，將改善經(jīng)典計算和量子計算，同時為用戶提供對近期量子計算機能力的信心。

IBM Quantum量子理論與能力高級經(jīng)理Sarah Sheldon表示：“我們可以開始將量子計算機視為研究其他難以研究的問題的工具?！?/p>

IBM高級副總裁兼研究總監(jiān)Darío Gil表示：“這是我們第一次看到量子計算機在領(lǐng)先的經(jīng)典方法之外，對自然界中的物理系統(tǒng)進行精確建模。對我們來說，這一里程碑是證明當今量子計算機有能力、有科學(xué)工具可以用來模擬經(jīng)典系統(tǒng)極其困難——甚至不可能——的問題的重要一步，標志著我們現(xiàn)在正進入量子計算實用的新時代。”

如何消除誤差？

早在2017年，IBM Quantum團隊的研究人員就宣布了一項突破：使用量子計算機模擬了氫化鋰和氫化鈹?shù)刃》肿拥哪芰?。這些模擬非常令人興奮。但由于量子系統(tǒng)中的噪聲，它們遠未達到化學(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出錯奠定了基礎(chǔ)。

大約在同一時間，該團隊發(fā)表了一篇理論論文，成功樹立了一個重要的路標。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算機信息中提取出某些問題的有用信息。

之后，IBM Quantum團隊意識到可以使用與通過脈沖拉伸技術(shù)控制量子位相同的技術(shù)來放大噪聲的影響。從本質(zhì)上講，如果增加在每個量子位上運行單獨操作所需的時間，那么就會按相同的因子縮放噪聲量。

基于脈沖拉伸技術(shù)使該團隊在2019年用四個量子位顯著提高了LiH模擬的準確性。但問題仍然存在：這些方法可以擴展到什么程度？

IBM在將這些減少誤差的模擬擴展到26個量子位后發(fā)現(xiàn)，這些方法可以產(chǎn)生比從經(jīng)典計算機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當前的工作制定了藍圖。如果能夠提高硬件的規(guī)模和質(zhì)量，并開發(fā)出更好地控制噪聲的方法，也許就可以在一定程度上準確地估計期望值，使其對實際應(yīng)用有用。

這一突破成為該IBM Quantum團隊在2022年發(fā)表在arXiv上的論文：《Probabilistic Error Cancellation,6 or PEC》。IBM意識到，根據(jù)其對機器的了解，可以假設(shè)一個基本的噪聲模型。然后，可以學(xué)習(xí)某些參數(shù)來創(chuàng)建具有代表性的噪聲模型。而且，當多次重復(fù)相同的量子計算時，可以研究插入新的門來消除噪聲或放大噪聲的效果。這個模型與量子計算機的大小相當——對大型處理器的噪聲建模不再是一項艱巨的任務(wù)。

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

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，可以更準確地操縱和放大噪聲。然后，可以使用一種稱為零噪聲外推（ZNE）的方法，應(yīng)用經(jīng)典的后處理來外推到?jīng)]有噪聲的情況下的計算結(jié)果。

IBM表示，我們知道錯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。有了127量子位IBM Quantum Eagle處理器，我們終于有了能夠運行足夠大的電路來應(yīng)變經(jīng)典方法的系統(tǒng)，具有比以往更好的相干時間和更低的錯誤率。于是就開始通過錯誤緩解來測試其最先進的量子處理器了。

△這張圖表說明了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別，并評估每個級別的噪聲。然后，將評估的數(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這樣的錯誤緩解技術(shù)并不是萬能的。要實現(xiàn)量子計算的全部潛力，需要在系統(tǒng)中建立冗余，并允許多個量子位協(xié)同工作來相互校正，這稱為糾錯。然而，通過減少誤差，IBM意識到，在全尺寸誤差校正時代之前，找到了一種方法來產(chǎn)生某些類型的精確計算，即使是使用嘈雜的量子計算機。并證明這些計算可能是有用的。

那么只需要測試IBM的錯誤緩解技術(shù)是否真的有效。首先在127位量子處理器上運行越來越復(fù)雜的量子計算，然后用經(jīng)典計算機檢查我們的工作。但我們是一家量子計算公司——我們不應(yīng)該是用經(jīng)典計算機檢查自己工作的人。我們需要外部專家來驗證這些計算是否正確。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)典計算機運行量子電路。第一種是計算期望值的“暴力”方法，類似于物理學(xué)生手工計算期望值。這需要首先將有關(guān)波函數(shù)的所有信息寫入列表，然后創(chuàng)建一個數(shù)字網(wǎng)格（也稱為矩陣）來執(zhí)行計算。

△這張圖表顯示了量子計算機在一系列日益具有挑戰(zhàn)性的計算問題上的性能，與最先進的經(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算機與經(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推進糾錯。然而，在完全實現(xiàn)糾錯之前，近期量子硬件是否能為有用的問題提供計算優(yōu)勢，這一問題存在爭議。但是隨著這篇論文的發(fā)布，讓我們有充分的理由相信，有噪聲的量子計算機也將能夠提供價值。

“這項工作的關(guān)鍵是，我們現(xiàn)在可以使用Eagle的所有127個量子位來運行一個相當大的深度電路，而且計算結(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。

這篇論文是一個數(shù)據(jù)點，表明我們正在進入量子優(yōu)勢時代。我們早就說過，量子優(yōu)勢將是一條連續(xù)的道路，需要兩件事：首先，我們必須證明量子計算機可以勝過經(jīng)典計算機；其次，我們必須找到加速有用的問題，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；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)典計算界能夠開發(fā)出驗證我們提出的結(jié)果的方法。然后我們將進行更困難的計算。這種反復(fù)對我們來說是令人興奮的，因為它使計算變得更好。

Sajant Anand說：“它立即指出了新的經(jīng)典方法的必要性。”。他們已經(jīng)在研究這些方法了?！艾F(xiàn)在，我們在問，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，對于量子研究人員來說，“這也是一種學(xué)習(xí)過程”，Youngseok Kim說道。“我們?nèi)绾蝺?yōu)化我們的校準策略來運行這樣的量子電路？我們能期待什么，我們需要做些什么來改善未來的情況？在我們運行項目的過程中，這些都是很好的發(fā)現(xiàn)。”

IBM宣布其量子系統(tǒng)全面升級127 bit量子處理器

在實現(xiàn)這項開創(chuàng)性的工作之后，IBM宣布，其在云上和合作伙伴位置現(xiàn)場運行的IBM量子系統(tǒng)將全部升級至由至少127個量子bit的系統(tǒng)，該計劃將在明年完成。

這些處理器提供了足夠大的計算能力，足以超過某些應(yīng)用的經(jīng)典方法，并將提供比以前的IBM量子系統(tǒng)更好的相干時間和更低的錯誤率。這些能力可以與不斷進步的錯誤緩解技術(shù)相結(jié)合，使IBM量子系統(tǒng)能夠滿足行業(yè)的新閾值，IBM稱之為“效用規(guī)模”，在這一點上，量子計算機可以作為科學(xué)工具來探索經(jīng)典系統(tǒng)可能永遠無法解決的新規(guī)模問題。

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算帶給世界的使命的推進，我們有了探索一類全新計算問題所需的基石的確鑿證據(jù)。通過為我們的IBM量子系統(tǒng)配備能夠?qū)崿F(xiàn)實用規(guī)模的處理器，我們邀請我們的客戶、合作伙伴和合作者將他們最困難的問題帶到當今量子系統(tǒng)的極限，并開始提取真正的價值。”

IBM表示，所有IBM Quantum系統(tǒng)用戶都將能夠在大于100個量子位的公用事業(yè)規(guī)模處理器上運行問題。IBM量子春季挑戰(zhàn)賽的2000多名參與者在探索動態(tài)電路時營業(yè)可以使用這些公用事業(yè)規(guī)模的處理器，這項技術(shù)使運行更先進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

另據(jù)外媒報道，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 IBM 量子運算系統(tǒng)，每個系統(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 100 個量子位。

據(jù)悉，該量子數(shù)據(jù)中心將建于德國 Ehningen 的 IBM 園區(qū)，屆時會成為 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)模量子處理器時代到來，人們對云端量子運算的研究興趣大增，IBM 量子數(shù)據(jù)中心將為歐洲先進量子電腦使用者提供新選擇。

目前 IBM Quantum Network 成員有超過 60 家企業(yè)組織透過云端存取量子硬件與軟件，包括德國工業(yè)巨頭博世（Bosch）、德國大型粒子物理實驗室“德國同步電子加速器”（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（Fraunhofer-Gesellschaft）。

今年5月，IBM 參加 G7 廣島峰會時還宣布為期十年、耗資 1 億美元的計劃，將與東京大學(xué)和芝加哥大學(xué)合作開發(fā)由 IBM Quantum System Two 新世代的量子運算系統(tǒng)，組成運算規(guī)模超過 10 萬個量子比特的量子運算超級電腦，以解決最先進超級電腦可能永遠無法解決的最緊迫問題。

IBM 打算擴大東京和芝加哥的伙伴關(guān)係，并將阿岡國家實驗室（Argonne National Laboratory）及費米國家加速器實驗室（Fermilab National Accelerator Laboratory）納入為合作伙伴，屆時兩機構(gòu)專業(yè)技術(shù)與知識，有助催生量子運算超級電腦競賽的技術(shù)。

編譯：芯計-浪客劍 資料來源：IBM官網(wǎng)