Eagle量子處理器。 圖片來源：IBM

一項(xiàng)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明，量子計(jì)算機(jī)可能在兩年內(nèi)投入實(shí)際應(yīng)用。

4年前，谷歌的物理學(xué)家聲稱，盡管還沒有實(shí)際應(yīng)用，但他們的量子計(jì)算機(jī)可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在，IBM的同行則說，他們有證據(jù)表明，量子計(jì)算機(jī)將很快在有用的任務(wù)上擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)，比如計(jì)算材料的性質(zhì)或基本粒子的相互作用。

在6月14日發(fā)表于《自然》的一項(xiàng)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員在IBM的Eagle量子處理器上模擬了磁性材料的行為。至關(guān)重要的是，他們?cè)O(shè)法繞過了量子噪聲問題以獲得可靠的結(jié)果。量子噪聲是這項(xiàng)技術(shù)的主要障礙，因?yàn)樗鼤?huì)在計(jì)算中引入誤差。

IBM量子理論小組負(fù)責(zé)人Katie Pizzolato說，他們的“糾錯(cuò)”技術(shù)使該團(tuán)隊(duì)能夠“在經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以達(dá)到的規(guī)模上”進(jìn)行量子計(jì)算。

美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家John Martinis領(lǐng)導(dǎo)谷歌團(tuán)隊(duì)在2019年實(shí)現(xiàn)了計(jì)算里程碑。他說，盡管研究人員為解決問題使用了一種非常簡(jiǎn)化、不切實(shí)際的材料模型，但“這讓你樂觀地認(rèn)為，它將在其他系統(tǒng)和更復(fù)雜的算法中發(fā)揮作用”。

芬蘭量子計(jì)算初創(chuàng)公司Algorithmiq首席執(zhí)行官Sabrina Maniscalco表示，該實(shí)驗(yàn)為最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)提供了基準(zhǔn)。“這些機(jī)器來了。”她說。Maniscalco的公司正在為量子化學(xué)計(jì)算開發(fā)使用誤差緩解的算法。

量子計(jì)算機(jī)利用了特殊的量子現(xiàn)象，比如一個(gè)物體同時(shí)存在于兩種“疊加”狀態(tài)中，以及多個(gè)物體共享一個(gè)量子狀態(tài)，物理學(xué)家稱之為糾纏。量子比特相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)比特的量子等價(jià)物，可以處于“0”和“1”的疊加狀態(tài)，并且互相糾纏。

物理學(xué)家一直在試驗(yàn)一系列用于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的硬件，包括單個(gè)離子或中性原子的陷阱。IBM的方法是將每個(gè)量子比特編碼在一個(gè)微小的超導(dǎo)電路中，谷歌和其他公司也在使用這種方法。為了使量子計(jì)算機(jī)有效，量子比特的量子態(tài)必須保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)行計(jì)算。因此，IBM團(tuán)隊(duì)表示，延長(zhǎng)量子比特的壽命是一項(xiàng)至關(guān)重要的工程。

在最新論文中，IBM物理學(xué)家Abhinav Kandala與合作者對(duì)每個(gè)量子比特中的噪聲進(jìn)行了精確測(cè)量，這些量子比特可以遵循相對(duì)可預(yù)測(cè)的模式，這些模式由它們?cè)谠O(shè)備內(nèi)的位置、制造中的微觀缺陷和其他因素決定。利用這些知識(shí)，研究人員推斷出在沒有噪聲的情況下，他們的測(cè)量結(jié)果會(huì)是什么樣子。然后，他們能夠運(yùn)行涉及Eagle所有127個(gè)量子比特和多達(dá)60個(gè)處理步驟的計(jì)算，這比任何其他報(bào)道的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)都要多。

Martinis說，這些結(jié)果驗(yàn)證了IBM的短期戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略旨在通過減少而不是糾正錯(cuò)誤來提供有用的計(jì)算。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，IBM和其他大多數(shù)公司希望轉(zhuǎn)向量子糾錯(cuò)，這項(xiàng)技術(shù)需要為每個(gè)數(shù)據(jù)量子比特提供大量額外的量子比特。而谷歌的戰(zhàn)略重點(diǎn)是改進(jìn)量子糾錯(cuò)技術(shù)。

一些研究人員對(duì)降噪的潛力不太樂觀，他們預(yù)計(jì)只有量子糾錯(cuò)才能實(shí)現(xiàn)即使最大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法實(shí)現(xiàn)的計(jì)算。

Eagle擁有127個(gè)量子比特，但I(xiàn)BM預(yù)計(jì)將于今年晚些時(shí)候推出其迄今為止最強(qiáng)大的處理器——1121量子比特的Condor芯片。IBM量子技術(shù)部門負(fù)責(zé)人Jay Gambetta表示，該公司還在開發(fā)多達(dá)4158個(gè)量子比特的“實(shí)用規(guī)模處理器”。他補(bǔ)充說，要實(shí)現(xiàn)到2033年建造10萬量子比特機(jī)器的長(zhǎng)期目標(biāo)，研究人員需要解決大量的工程問題。（原標(biāo)題《量子計(jì)算機(jī)有望兩年內(nèi)投入實(shí)際應(yīng)用》）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/d41586-023-01965-3