头条：重大突破：IBM称已攻克量子计算“不可靠”问题

北京时间6月15日消息，四年前，谷歌宣称实现了“量子至上”，引发了人们对量子计算的关注。然而，在实际应用中，量子计算始终存在“可靠性”问题。同样的计算重复多次，很可能每次都会得出不同的答案。周三，“蓝色巨人”IBM 声称找到了解决量子计算可靠性的方法。

IBM沃森研究中心的量子计算机需要说明的是，传统计算机的基本二进制单位是0和1，要么是0，要么是1。但在量子计算中，它的基本计量单位——量子比特，可以是0、1 , 或0 和1。这种现象称为量子叠加。量子计算机通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。因此，他们可以快速存储大量数据，探索多种可能性，并在处理复杂任务时选择最高效的解决方案。

然而，由于保持量子比特的叠加态非常困难，最轻微的环境变化（振动、电场、磁场、宇宙辐射）也会导致叠加态崩溃，从而导致计算错误。因此，目前世界上还没有能够制造出无差错、用途广泛的量子计算机。

周三，IBM 研究人员宣布，他们已经设计出一种方法来管理量子计算的不可靠性，以产生可靠、有用的答案。 IBM 科学家在《自然》杂志上发表了一篇研究论文，题为“Evidence for the Practicability of Quantum Computing Before Fault Tolerance”。容错量子计算是指受量子纠错保护的量子计算。

在IBM 2019 年发表的一篇论文中，谷歌的研究人员声称他们已经实现了“量子霸权”，即量子计算拥有超越所有经典计算机的计算能力。不过IBM当时批评了谷歌，认为谷歌夸大了量子计算的性能，误导了公众。周三，IBM 研究人员表示，他们发现了一些新的、更有用的方法，尽管名称较低调。

“我们正在进入一个我称之为‘实用’的量子计算阶段，”IBM 量子业务副总裁Jay Gambetta 说。 “实用的时代”。

没有参与这项研究的耶路撒冷希伯来大学计算机科学教授Dorit Aharonov 说：“IBM 在这里展示的是真正朝着严肃的量子算法设计取得的进展。这是朝着运动方向迈出的重要一步，这是令人惊讶的。”

如何减少误差？在这项新研究中，IBM 研究人员执行了一项不同的任务，这激起了物理学家的兴趣。他们使用具有127 个量子位的量子处理器来模拟127 个原子级的条形磁铁在磁场中的行为。这些棒状磁铁足够小，可以遵循量子力学的特殊规则。这是一个被称为伊辛模型的简单系统，常用于研究物质的铁磁性。

IBM 在实验中使用的量子处理器是一个过于复杂的问题，即使是最大和最快的超级计算机也无法计算出准确的答案。但是在量子计算机上，计算可以在不到千分之一秒的时间内完成。但是，每一次的量子计算都是不可靠的，因为量子噪声的波动（指任何单色光中都存在的波动）必然会干扰计算而导致错误，但是每一次的计算都非常快，所以可以重复进行。

事实上，在许多计算中，研究人员故意添加了额外的噪音，使答案更加不可靠。但通过改变噪声量，研究人员可以推断出噪声的具体特征及其在每个计算步骤中的影响。

“我们可以非常精确地放大噪声，然后我们可以重新运行相同的电路，”IBM 的量子能力和演示经理以及《自然》论文的作者之一Abhinav Kandala 说。我们针对不同的噪声水平获得了这些结果，并且我们可以在没有噪声的情况下推断结果。”

从本质上讲，研究人员能够从不可靠的量子计算中消除噪声的影响，他们称之为“错误缓解”的过程。 “你必须通过发明真正聪明的方法来减轻它的影响来避开噪音，”阿哈罗诺夫博士说。 “这正是他们所做的。”

它有多准确？ IBM 的量子计算机总共执行了600,000 次计算，得出了127 个条形磁铁产生的整体磁化强度的答案。答案有多准确？

为了寻求帮助，IBM 团队求助于加州大学伯克利分校的物理学家。虽然具有127 个磁棒的伊辛模型太大，可能的配置太多，无法装入传统计算机，但经典的计算机算法可以产生近似答案。此技术类似于JPEG 图像压缩，其中丢弃不太重要的数据以减小文件大小，同时保留大部分图像细节。

IBM 量子计算研究员、加州大学伯克利分校物理学教授、《自然》杂志论文的合著者Michael Zaletel 表示，当他开始与IBM 合作时，他认为他的经典计算机算法会比量子算法做得更好。 “结果与我预期的有点不同，”Zaleter 博士说。

结果表明，量子计算机可以准确求解伊辛模型的某些构型。在更简单的例子中，经典算法和量子算法是一致的。对于更复杂但可解决的实例，量子算法和经典算法会产生不同的答案，但量子算法会给出正确答案。

美国加州大学伯克利分校IBM 量子实验研究实验室研究生Sajant Anand 在经典逼近研究方面做了大量工作。基于以上实验结果，他认为量子计算和经典计算的结果是不一致的，不一致的。在其他已知精确解的情况下，“有理由相信量子计算的结果更精确”。

目前尚不清楚量子计算能否在伊辛模型中无可争议地超越经典计算。 Anand 目前正在尝试添加经典算法的减少错误版本，该版本有可能达到或超过量子计算的性能。

“没有明显迹象表明他们在这里

里实现了量子霸权。”扎勒特尔说。

临时解决方案

从长远来看，量子科学家预计另外一种不同的方法，即纠错，能够检测和纠正计算错误，这将为量子计算机的许多用途打开大门。

目前，纠错方法已经在传统计算机和数据传输中被用于修复错误。但对于量子计算机来说，纠错可能还需要几年的时间，需要更好的处理器来处理更多的量子比特。

IBM 的科学家们认为，误差缓解是一种临时解决方案，现在可以用于解决伊辛模型之外日益复杂的问题。

“这是现有最简单的自然科学问题之一，”甘贝塔博士说，“所以这是一个很好的开始。但现在的问题是，你如何推广它，去解决更有趣的自然科学问题？”这些问题可能包括弄清楚异域材料的性质，加速药物发现和模拟聚变反应。