IBM宣布：量子計算正式進(jìn)入實(shí)用階段！

當地時(shí)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(gè)量子位的規模上產(chǎn)生精確的結果，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(guò)的材料成分。能夠對這些進(jìn)行建模是朝著(zhù)解決諸如設計更高效的肥料、制造更好的電池和開(kāi)發(fā)新藥等挑戰的能力邁出的關(guān)鍵一步。但今天的量子系統本質(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)驗中，IBM團隊已經(jīng)證明，量子計算機有可能通過(guò)學(xué)習和減輕系統中的錯誤，來(lái)超越領(lǐng)先的經(jīng)典模擬。該團隊使用了由127個(gè)超導量子位組成的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)，并準確預測其磁化強度等特性。

為了驗證該模型的準確性，數周以來(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(shí)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(jìn)的經(jīng)典近似方法進(jìn)行同樣的計算。他們會(huì )對照精確的暴力經(jīng)典計算來(lái)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(zhù)模擬變得越來(lái)越復雜，觀(guān)察這兩種計算范式的表現，兩個(gè)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(shuō)：“量子計算和經(jīng)典計算在如此大的問(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試當今嘈雜、易出錯的量子計算機是否有助于計算某些類(lèi)型問(wèn)題的準確結果。今天，他們在《自然》雜志的封面上發(fā)表了這項研究的結果。IBM Quantum和加州大學(xué)伯克利分校已經(jīng)提供了證據，證明有噪聲的量子計算機將能夠比預期更快地提供價(jià)值，這一切都要歸功于IBM Quantum硬件的進(jìn)步和新的錯誤緩解方法的開(kāi)發(fā)。

不過(guò)，需要注意的是，這并不是說(shuō)今天的量子計算機超過(guò)了經(jīng)典計算機的能力——其他經(jīng)典方法和專(zhuān)業(yè)計算機也可能很快就會(huì )為我們測試的計算返回正確答案。但這不是重點(diǎn)。量子運行復雜電路和經(jīng)典計算機驗證量子結果的持續來(lái)回，將改善經(jīng)典計算和量子計算，同時(shí)為用戶(hù)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(kāi)始將量子計算機視為研究其他難以研究的問(wèn)題的工具?！?/p>

IBM高級副總裁兼研究總監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進(jìn)行精確建模。對我們來(lái)說(shuō)，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(lái)模擬經(jīng)典系統極其困難——甚至不可能——的問(wèn)題的重要一步，標志著(zhù)我們現在正進(jìn)入量子計算實(shí)用的新時(shí)代?！?/p>

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等小分子的能量。這些模擬非常令人興奮。但由于量子系統中的噪聲，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(huì )出錯奠定了基礎。

大約在同一時(shí)間，該團隊發(fā)表了一篇理論論文，成功樹(shù)立了一個(gè)重要的路標。如果我們能真正了解出現噪聲的原因，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(wèn)題的有用信息。

之后，IBM Quantum團隊意識到可以使用與通過(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)量子位上運行單獨操作所需的時(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)使該團隊在2019年用四個(gè)量子位顯著(zhù)提高了LiH模擬的準確性。但問(wèn)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(gè)量子位后發(fā)現，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確地估計期望值，使其對實(shí)際應用有用。

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，根據其對機器的了解，可以假設一個(gè)基本的噪聲模型。然后，可以學(xué)習某些參數來(lái)創(chuàng )建具有代表性的噪聲模型。而且，當多次重復相同的量子計算時(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(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)?！?/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(chēng)為零噪聲外推（ZNE）的方法，應用經(jīng)典的后處理來(lái)外推到?jīng)]有噪聲的情況下的計算結果。

IBM表示，我們知道錯誤緩解需要高性能的硬件，必須在規模、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行足夠大的電路來(lái)應變經(jīng)典方法的系統，具有比以往更好的相干時(shí)間和更低的錯誤率。于是就開(kāi)始通過(guò)錯誤緩解來(lái)測試其最先進(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，這是量子系統中一種減少誤差的方法。使用ZNE技術(shù)，IBM將系統中的噪聲放大到不同的級別，并評估每個(gè)級別的噪聲。然后，將評估的數據與一些外推方法相結合，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(wàn)能的。要實(shí)現量子計算的全部潛力，需要在系統中建立冗余，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。然而，通過(guò)減少誤差，IBM意識到，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(lái)越復雜的量子計算，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——我們不應該是用經(jīng)典計算機檢查自己工作的人。我們需要外部專(zhuān)家來(lái)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(lèi)似于物理學(xué)生手工計算期望值。這需要首先將有關(guān)波函數的所有信息寫(xiě)入列表，然后創(chuàng )建一個(gè)數字網(wǎng)格（也稱(chēng)為矩陣）來(lái)執行計算。

△這張圖表顯示了量子計算機在一系列日益具有挑戰性的計算問(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(lái)推進(jìn)糾錯。然而，在完全實(shí)現糾錯之前，近期量子硬件是否能為有用的問(wèn)題提供計算優(yōu)勢，這一問(wèn)題存在爭議。但是隨著(zhù)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(jià)值。

“這項工作的關(guān)鍵是，我們現在可以使用Eagle的所有127個(gè)量子位來(lái)運行一個(gè)相當大的深度電路，而且計算結果是正確的，”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)數據點(diǎn)，表明我們正在進(jìn)入量子優(yōu)勢時(shí)代。我們早就說(shuō)過(guò)，量子優(yōu)勢將是一條連續的道路，需要兩件事：首先，我們必須證明量子計算機可以勝過(guò)經(jīng)典計算機；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)典計算界能夠開(kāi)發(fā)出驗證我們提出的結果的方法。然后我們將進(jìn)行更困難的計算。這種反復對我們來(lái)說(shuō)是令人興奮的，因為它使計算變得更好。

Sajant Anand說(shuō)：“它立即指出了新的經(jīng)典方法的必要性?！?。他們已經(jīng)在研究這些方法了?！艾F在，我們在問(wèn)，我們是否可以采用相同的誤差緩解概念，并將其應用于經(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)典結果?！?/p>

同時(shí)，對于量子研究人員來(lái)說(shuō)，“這也是一種學(xué)習過(guò)程”，Youngseok Kim說(shuō)道?！拔覀內绾蝺?yōu)化我們的校準策略來(lái)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(lái)改善未來(lái)的情況？在我們運行項目的過(guò)程中，這些都是很好的發(fā)現?！?/p>

IBM宣布其量子系統全面升級127 bit量子處理器

在實(shí)現這項開(kāi)創(chuàng )性的工作之后，IBM宣布，其在云上和合作伙伴位置現場(chǎng)運行的IBM量子系統將全部升級至由至少127個(gè)量子bit的系統，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(guò)某些應用的經(jīng)典方法，并將提供比以前的IBM量子系統更好的相干時(shí)間和更低的錯誤率。這些能力可以與不斷進(jìn)步的錯誤緩解技術(shù)相結合，使IBM量子系統能夠滿(mǎn)足行業(yè)的新閾值，IBM稱(chēng)之為“效用規?！?，在這一點(diǎn)上，量子計算機可以作為科學(xué)工具來(lái)探索經(jīng)典系統可能永遠無(wú)法解決的新規模問(wèn)題。

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

IBM表示，所有IBM Quantum系統用戶(hù)都將能夠在大于100個(gè)量子位的公用事業(yè)規模處理器上運行問(wèn)題。IBM量子春季挑戰賽的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)規模的處理器，這項技術(shù)使運行更先進(jìn)的量子算法變得更容易。

在歐洲建設全新量子數據中心

另?yè)饷綀蟮?，IBM已宣布將在歐洲設立第一座量子數據中心，將擁有多個(gè) IBM 量子運算系統，每個(gè)系統皆配備了“公共事業(yè)規模量子處理器”，即整體量子比特規模超過(guò) 100 個(gè)量子位。

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

Jay Gambetta 表示，公用事業(yè)規模量子處理器時(shí)代到來(lái)，人們對云端量子運算的研究興趣大增，IBM 量子數據中心將為歐洲先進(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，包括德國工業(yè)巨頭博世（Bosch）、德國大型粒子物理實(shí)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(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 新世代的量子運算系統，組成運算規模超過(guò) 10 萬(wàn)個(gè)量子比特的量子運算超級電腦，以解決最先進(jìn)超級電腦可能永遠無(wú)法解決的最緊迫問(wèn)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(shí)驗室（Argonne National Laboratory）及費米國家加速器實(shí)驗室（Fermilab National Accelerator Laboratory）納入為合作伙伴，屆時(shí)兩機構專(zhuān)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(lái)源：IBM官網(wǎng)