Nature封面：量子電腦離實際應用還有兩年

IBM宣布，最快兩年之內，量子電腦就能投入實際應用了！

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。

這標示著量子運算投入實際應用的最大障礙已經解決。

△搭載“鷹”晶片的量子電腦

這種障礙叫做“量子雜訊”，會導致運算結果出現錯誤。

研究團隊對處理器中的每一個量子位元的雜訊逐一進行測量，推測出了零雜訊情況下系統的狀態。

根據觀察和推測結果，團隊研發了全新的「誤差緩解」技術。

利用這種技術，團隊在127量子位元的鷹處理器上成功進行了一次複雜運算。

IBM量子研發部門高級主管Sarah Sheldon表示，我們可以開始設想用量子電腦解決一些先前無解的問題。

相關論文已經在最新一期的Nature中發表，並登上封面。

最新一期的Nature Podcast當中也介紹了這項研究成果。

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

而今年晚些時候，IBM也將發布1121量子位元的禿鷹（Condor）晶片。

消滅不掉噪聲，就抵消它

由於量子糾纏效應的存在，量子不只0和1兩種存在方式，還有它們的疊加態。

這使得量子運算的效率從理論上顯著高於傳統的只有0和1兩種狀態的計算機。

但實際上，量子電腦並未投入實際應用。

原因有點無言——量子運算雖然快，但是錯誤率也很高。

而出錯背後的罪魁禍首，就是量子雜訊。

根據海森堡測不準原理，環境中無時無刻不充滿波動的能量，即使溫度低到絕對零度，也無法消除。

量子永不停息的波動導致了它們之間彼此的擁擠、碰撞，這就是量子雜訊的來源。

對於單一量子，雜訊帶來的誤差可能並不高（低於1%）。

但量子電腦是由大量量子組成的複雜系統，各量子產生的誤差疊加之後就變得不可忽視了。

除了要解決量子雜訊問題，IBM認為，還要確保量子處理器具有一定的規模和運算速度。

消除量子雜訊的過程稱為量子糾錯，方法是用更多的量子位元來描述一個量子位元，以便有錯誤時可以修正。

但這一想法的缺陷明顯——我們根本無法操控如此之多的量子位元。

因此，對於量子噪聲，現在普遍採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資訊即時監測並建立抵消演算法，但隨著量子位元數的增多，也出現了效能瓶頸。

IBM團隊研發了一種全新的抵銷方式，繞過了這一瓶頸的限制。

這種方式的核心是兩種關鍵技術：脈衝拉伸（Pulse Stretching）和零噪音外推（Zero Noise Extrapolation）。

脈衝拉伸是透過延長每個量子位元的操作時間，使量子誤差被放大，更有利於觀測。

這個過程中，IBM採用了物理學上常用的伊辛模型（Ising model）。

其最基本的假設是交互作用只在最近鄰的自旋之間存在。

具體到這個項目，量子位元的排列方式是設定模型點陣排列方式的依據。

儘管排列方式一致，伊辛模型卻是獨立於處理器硬體存在的。

零雜訊外推則是根據擷取到的放大不同比例後的誤差資訊（擷取量遠低於傳統方式），建立函數模型。

根據函數模型外推出零點數值，即沒有誤差存在時的運算結果。

儘管仍存在一定的局限性，但經過這種方式抵消一些誤差的量子處理器已經可以進行一些運算操作。

IBM團隊將其成果送到了加州大學柏克萊分校進行效果評評，和他們的超級電腦進行比較。

結果顯示，鷹晶片驅動的量子電腦的計算結果與真實值的接近程度遠高於傳統電腦。

不過，IBM的研究人員指出，採用這種抵銷方式消除噪音影響只是短期策略。

IBM也在逐步擴大其處理器所包含的量子位元數量。

據研究人員預計，到2033年將製造出超過10萬個量子位元的處理器，屆時量子誤差將得到根源性的解決。

論文網址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3

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