Nature封面：量子計算機離實(shí)際應用還有兩年

IBM宣布，最快兩年之內，量子計算機就能投入實(shí)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(zhù)量子計算投入實(shí)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(huì )導致計算結果出現錯誤。

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

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

IBM量子研發(fā)部門(mén)高級主管Sarah Sheldon表示，我們可以開(kāi)始設想用量子計算機解決一些此前無(wú)解的問(wèn)題。相關(guān)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。

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

而今年晚些時(shí)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(zhù)高于傳統的只有0和1兩種狀態(tài)的計算機。

但實(shí)際上，量子計算機并未投入實(shí)際應用。原因有點(diǎn)無(wú)語(yǔ)——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。

根據海森堡測不準原理，環(huán)境中無(wú)時(shí)無(wú)刻不充滿(mǎn)波動(dòng)的能量，哪怕溫度低到絕對零度，也無(wú)法消除。

量子永不停息的波動(dòng)導致了它們之間彼此的擁擠、碰撞，這就是量子噪聲的來(lái)源。對于單個(gè)量子，噪聲帶來(lái)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，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(wèn)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(guò)程稱(chēng)為量子糾錯，方法是用更多的量子比特來(lái)描述一個(gè)量子比特，以便有錯誤時(shí)可以糾正。

但這一思路的缺陷明顯——我們根本無(wú)法操控如此之多的量子比特。因此，對于量子噪聲，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(shí)時(shí)監測并建立抵消算法，但隨著(zhù)量子比特數的增多，也出現了性能瓶頸。

IBM團隊研發(fā)了一種全新的抵消方式，繞開(kāi)了這一瓶頸的限制。這種方式的核心是兩種關(guān)鍵技術(shù)：脈沖拉伸（Pulse Stretching）和零噪聲外推（Zero Noise Extrapolation）。

脈沖拉伸是通過(guò)延長(cháng)每個(gè)量子比特的操作時(shí)間，使量子誤差被放大，更加有利于觀(guān)測。這一過(guò)程中，IBM采用了物理學(xué)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(diǎn)陣排列方式的依據。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采集到的放大不同比例后的誤差信息（采集量遠低于傳統方式），建立函數模型。根據函數模型外推出零點(diǎn)值，即為沒(méi)有誤差存在時(shí)的運算結果。

盡管仍存在一定的局限性，但經(jīng)過(guò)這種方式抵消一些誤差后的量子處理器已經(jīng)可以進(jìn)行一些運算操作。

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

結果顯示，鷹芯片驅動(dòng)的量子計算機的計算結果與真實(shí)值的接近程度遠高于傳統計算機。

不過(guò)，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量。

據研究人員預計，到2033年將制造出超過(guò)10萬(wàn)量子比特的處理器，屆時(shí)量子誤差將得到根源性的解決。

來(lái)源： XRer