量子计算新里程碑登上Nature封面 100+量子位无纠错 超越经典计算

今天，IBM 首次展示了100+ 量子比特无需纠错即可获得准确结果，甚至超越了经典计算机。最新的研究登上了Nature 的封面。

今天的自然封面属于IBM。

IBM 和加州大学伯克利分校的新研究显示了“一条有用的量子计算之路”。

首次证明具有100+ 量子比特的量子处理器可以取得准确的结果并超越领先的经典方法。

最重要的是，它优于没有纠错的经典计算机。

IBM CEO表示，这是量子计算可以实际应用的里程碑式证明！

四年前，谷歌声称其量子计算机实现了“量子霸权”，但只是在没有实际应用的小众计算领域。

最新发表在《自然》杂志上的论文声称，量子计算机将很快在有用的任务上击败普通计算机。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3 论文中，研究人员在一台IBM 127量子比特鹰（Eagle）量子处理器上模拟了磁性材料的行为。

至关重要的是，他们设法绕过了“量子噪声”并取得了可靠的结果。请注意，引入计算错误的量子噪声是这项技术的主要障碍。

敲开“量子优势”的大门一直是量子计算的关键里程碑。 IBM 将量子优势定义为实际案例中量子算法运行时间的显着提升。

到目前为止，还没有任何有用的应用程序证明了量子霸权，原因很简单：

量子计算机噪音大、容易出错，而且体积太小，无法解决现实世界中的大问题。

然而，大多数关于量子霸权的论文通常基于随机电路采样或高斯玻色子采样，这两种方法都不是有用的应用程序。

在IBM 看来，量子计算机要执行有用的任务必须解决3 个主要问题：

- 需要一种方法来处理量子噪声。

- 量子位必须可扩展到大量。

- 量子处理器必须具有足够的速度（以每秒电路层操作数或CLOPS 来衡量）。

其中，量子计算噪声与可解决问题的规模有直接关系。

过多的噪声会导致错误，而未纠正的错误会限制可以添加到电路中的量子比特数，进而限制算法的复杂性。

显然，量子计算的“差错控制”很重要，即需要进行量子纠错（QEC）。

IBM则反其道而行之，在没有纠错的情况下超越了经典计算机，甚至达到了100+ qubit useful。

在这篇论文中，研究人员转向了一种方法，在这种方法中有意放大噪声，然后在不同级别的处理器噪声下进行测量。

为此，物理学家对每个量子比特中的噪声进行了精确测量。

使用127 量子比特的Eagle R3 处理器，研究人员模拟了127 种相互作用的自旋态。

在模拟中，每个量子比特都起到了自旋的作用，使用了两个深度为60的量子比特门。

实验表明，他们能够运行涉及Eagle 的所有127 个量子位和多达60 个处理步骤的计算，比任何其他报道的量子计算实验都要多。

这些结果验证了IBM 通过减少错误而不是纠正错误来提供有用计算的短期战略。

研究人员使用“错误缓解”技术使团队能够“以经典计算机难以实现的规模”进行量子计算。

根据领导谷歌团队实现2019 年里程碑的加州大学圣巴巴拉分校物理学家圣巴巴拉的说法，

尽管他们解决的问题使用了一种简单、不切实际的材料模型，但它让人乐观地认为它将在未来应用于其他系统和更复杂的算法。

IBM 量子能力和演示部门经理Abhinav Kandala 说，关键部分是能够控制脉冲展宽之外的噪声。

“一旦它起作用，我们就可以进行更复杂的推理，从而抑制噪音带来的偏差。这在以前是不可能的。”

这种噪声放大是IBM 需要的最后一块拼图。

使用具有代表性的噪声模型，可以更准确地控制和放大噪声。然后，可以应用经典的后处理方法来推断无噪声计算结果，使用一种称为“零噪声外推”（ZNE）的方法。

同时，错误缓解（Error mitigation）需要高性能的硬件。 IBM 必须继续推动规模、质量和速度。

借助127 位IBM Quantum Eagle 处理器，IBM 终于拥有了能够运行足够大电路的系统。

现在是用ZNE 测试IBM SOTA 级处理器的时候了。

当然，像ZNE 这样的“bug 缓解”技术并不是万能的。

为了充分发挥量子计算的潜力，IBM 需要在系统中构建冗余，并允许多个量子比特协同工作以相互纠正，即：纠错。

然而，通过错误缓解，IBM 意识到在全面纠错时代到来之前，它可以找到一种方法来生成某些类型的精确计算，即使是在嘈杂的量子计算机上也是如此。

这些计算可能会派上用场。

IBM 只需要测试他们的错误缓解技术是否真的有效。

首先，研究人员尝试在IMB 的云服务上运行越来越复杂的量子计算，然后将它们与传统计算机进行比较。

>

同时，IBM 也需要一些外部专家来验证这些计算的正确性。于是他们借助了研究员 Sajant Anand、Yantao Wu 和来自加州大学伯克利分校的副教授 Michael Zaletel 的帮助。

有几种方法可以用经典计算机运行量子电路。

第一种是靠蛮力 —— 计算期望值，类似于物理学系的学生手算期望值的方法。这需要首先将关于波函数的所有信息写进一个列表，然后创建一个矩阵来进行计算。

每增加一个量子比特这些方法的难度也会随之增加一倍，因此，研究人员最终无法捕捉到足够大的电路的复杂性。

但是对于量子电路的一个小子集来说，有一些技巧可以让研究人员使用粗暴的计算方法来得出精确的答案，即使电路使用了 IBM 量子鹰的全部 127 个量子比特也能做到。

IBM 从这些电路和方法开始，对经典和量子方法分别进行了相应的基准测试。

为了处理更复杂的电路，伯克利团队使用了使用两种不同的张量网络状态（TNS）方法，用更少的数字近似波函数。

这种经典的近似方法试图将许多量子比特的量子状态表示为张量的网络。TNS 带有一套指令，说明如何用这些数据进行计算，以及如何用这些数据并恢复出有关量子状态的特定信息，如期望值等等。

这种方法有点像图像压缩，在计算能力和空间有限的情况下，为了只保留获得准确答案所需的信息，甩掉不太重要的信息。

实验将按如下方式进行：IBM 将使用量子鹰处理器的所有 127 个量子比特来模拟一个系统的变化行为，该系统将自然映射到量子计算机中，称为量子伊辛模型（Ising model）。

伊辛模型是对自然界的简化，它将相互作用的原子表示为一个能量场中的量子系统的晶格。

IBM 将使用 ZNE 来尝试并准确计算系统的一个属性，即平均磁化。该期望值基本上就是电路可能出现的结果的加权平均值。

同时，加州大学伯克利分校的团队将在劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC）和普渡大学的先进超级计算机的帮助下，尝试使用张量网络方法模拟同一系统。

具体来说，IBM 的计算一部分将在 NERSC 的「Cori」超级计算机上运行，一部分在劳伦斯伯克利国家实验室的内部 「Lawrencium」集群上运行，一部分在普渡大学由国家科学基金会资助的「Anvil」超级计算机上运行。

然后，IBM 将把这两者与精确的方法进行比较，看看两者的表现如何。

从结果来看，量子方法与精确方法保持一致。但是随着难度的增加，经典的近似方法开始出问题了。

最后，IBM 要求这两台计算机运行超出可以精确计算的计算结果，他们对这个结果充满了信心。

为世界带来有用量子计算

近来，关于量子计算机是否能在完全实现纠错之前为有用任务提供计算优势存在争论。

容错是最终目标，「错误缓解」是让量子计算变得有用性的途径。

IBM 最新论文让人们看到，有噪声的量子计算机，也能够提供价值。

这项工作的关键是，现在可以使用「鹰」全部 127 个量子比特来运行一个相当大的深度电路，并且数字是正确的。

这篇论文是一个节点，表明 IBM 正在进入量子优势时代。他们此前说过量子优势是一条持续的道路，需要做到两件事：

首先，我们必须证明量子计算机可以超越经典计算机。其次，我们必须找到加速有用问题，并弄清楚如何将它们映射到量子比特上。

最新论文已经实现了第一点。对量子领域来说，这是一个重要时刻。

而 IBM 这一步还只是起点，网友称他们会在今年年底实现在 1000 + 量子比特取得精确结果。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-01965-3

https://research.ibm.com/blog/utility-toward-useful-quantum

https://www.nytimes.com/2023/06/14/science/ibm-quantum-computing.html

本文来自微信公众号：新智元 （ID：AI_era）