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實用型量子計算機還要多久?IBM新進展或将進入量子計算新時代

作者:妙懂視界

長久以來,“量子”總是被人們用來當做“玄學”的科學代稱,“猶豫不決,量子力學”這句話更是流傳深遠。晦澀難懂的“量子”無法用宏觀的知識去普及,是以有很大一部分人對于“量子”持懷疑态度。

不過最近幾年裡,“量子”的作用通過一個個實體或事件被人們知道,這就像一個“黑盒”,人們不用去知道黑盒裡面是什麼技術,隻需要知道黑盒能夠做什麼便會對黑盒産生認識上的變化。

實用型量子計算機還要多久?IBM新進展或将進入量子計算新時代

2016年8月16日,世界首顆量子科學實驗衛星——墨子号發射升空,人類首次完成了衛星與地面的量子通信。2022年10月,2022年諾貝爾實體學獎授予科學家阿蘭·阿斯佩,約翰·弗朗西斯·克勞澤和安東·塞林格,以表彰他們為糾纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創性的量子資訊科學所作出的貢獻。當即掀起了一陣量子狂潮。

與“墨子号”這種大型實驗型量子産品不同,“量子計算機”因為一直被用作與傳統計算機比較,其概念要更深入人心。

相比傳統計算機,宣傳上一般都會提到量子計算機在一些問題上的處理速度是傳統計算機的數倍。但并未提及,量子計算機的實用前景。目前量子計算機面臨的關鍵問題是,它們容易受到最輕微幹擾的破壞。當今最先進的量子計算機通常每1次操作中大約出現一次錯誤,而許多實際應用要求錯誤率降低十億倍或更多。

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不過近日IBM透露,其Eagle量子計算機可以準确地模拟正常計算機難以模拟超過一定程度複雜性的問題。該公司表示,這些模拟不僅對研究人員來說是實用的,而且他們開發的方法可以應用于今天在量子機器上運作的其他類型的算法。

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在實驗中,研究人員讓IBM的量子計算機對材料中電子自旋的動力學進行模組化,以預測其特性,例如磁化。這個模型是科學家非常了解的模型,使研究人員更容易驗證量子計算機結果的正确性。

為了解決量子易被幹擾的問題,IBM使用了“零噪聲外推”技術,這是IBM去年宣布的一項新的“錯誤緩解”技術。通過在不同的噪聲水準下重複計算,IBM科學家可以估計出量子計算機在沒有噪聲的情況下會計算出什麼。

作為實驗的對比,加州大學伯克利分校的科學家在經典超級計算機上進行了這些運算。他們使用了兩套技術。暴力仿真提供了最準确的結果,但需要太多的運算能力來模拟大型複雜系統。另一方面,近似方法可以估計大系統的答案,但系統越大,它們通常證明準确性越來越低。

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結果表明,相比經典近似算法,量子計算機在最大規模下速度提升了三倍,在規模進一步增加後,量子計算機的計算結果與暴力算法相比對,而近似算法變得不準确。起初科學家以為是量子計算機出現了錯誤,但是最終結果與暴力算法一緻,讓他們更加堅信量子計算機的準确性。這也讓IBM更加确信,在超過經典算法所能豈及的算力高度後,量子計算機仍能獲得可靠的結果。

目前,“零噪聲外推”技術的一個缺點是需要多次運作電路以模拟量子在零噪聲環境下的狀态,這勢必會導緻成本上升。不過IBM認為這些方法仍有相當大的改進空間,未來的研究還可以測試量子誤差緩解是否能夠像公司希望的那樣普遍适用于除該模型之外的其他類型的量子應用。

“我們希望這将推動硬體開發,現在每個元件方面的改進都轉化為可以運作的更複雜的計算,進而更平穩地過渡到容錯裝置。”

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