量子計算開啟新紀元

與傳統超級計算機相比，量子計算機可為物理問題提供更佳答案。

目前，量子計算機的計算范圍都很小——智能手機的內置芯片包含數十億個晶體管，而最強大的量子計算機的配置相當于幾百個晶體管的量子量。它們也不可靠，如果你一遍又一遍地進行相同的計算，它們很可能每次都給出不同的答案。

但因為它們具有同時考慮多種可能的內在特性，量子計算機無須設計得太大，即可解決某些棘手的計算問題。近日，IBM研究人員宣稱，他們研發出了一種解決量子計算機不可靠性的方法，而且能夠得出可靠、實用的答案。

以色列耶路撒冷希伯來大學計算機科學教授、量子計算機公司Qedma首席科學官多里特 · 阿哈羅諾夫（Dorit Aharonov）介紹說：“IBM所展示的性能，堪稱朝著嚴肅量子算法設計方向邁出的極為重要的一步。”

2019年，谷歌研究人員聲稱他們已經實現了“量子霸權”——在執行任務時，量子計算機比傳統計算機要迅捷得多。而IBM研究人員則表示，他們已經實現了一些全新且更實用的功能，但在對外宣布時還是比較低調。

IBM量子副總裁杰伊 · 甘貝塔（Jay Gambetta）表示：“我們正在進入量子計算的新階段——效用時代。”在2023年6月發表于《自然》雜志的一篇論文中，甘貝塔博士領導的IBM科學家團隊介紹了他們的研究結果。

現代計算機被稱為數字計算機或經典計算機，因為它們處理的信息位非1即0，非開即關。量子計算機則對捕獲更復雜信息狀態的量子位進行計算。物理學家埃爾溫 · 薛定諤（Erwin Schr?dinger）曾做過一個思想實驗，假設一只貓處于量子態，它可以同時處于既死又活的狀態。跟這一情形類似，量子位可以同時是1和0。

這樣一來，量子計算機可以一次進行多次計算，而數字計算機則必須單獨執行每次計算。通過加快計算速度，量子計算機有可能解決當今化學和材料科學等領域重大而復雜的問題。同樣地，量子計算機也可能存在陰暗面——通過破壞密碼和加密通信的保護算法威脅個人隱私。

2019年，當谷歌研究人員宣稱其霸主地位時，他們聲稱谷歌量子計算機可以在3分20秒之內完成一項計算任務，而最先進的傳統超級計算機完成該任務大約需要1萬年。

但包括IBM在內的一些其他研究人員對這一說法不以為然，稱這是人為設立的問題。阿哈羅諾夫博士表示：“谷歌的實驗的確令人印象深刻，但對于任何應用而言，這都不是一件有趣的事情。”事實證明，谷歌的計算結果也確實沒有最初表現出來的那樣令人印象深刻。中國一個研究團隊能夠通過使用非量子超級計算機在5分鐘內完成同樣的計算，遠快于谷歌團隊預計的1萬年。

在這項新研究中，IBM研究人員執行了另一項不同的任務，引起了物理學家的興趣。他們使用了一個包含127個量子位的量子處理器來模擬127個原子尺度的棒狀磁體在磁場中的性能——它足夠小，會受詭異的量子力學規則的控制。這是一個簡單的系統，被稱為伊辛模型，經常被用于磁性研究。

這個問題太復雜了，即使使用最大、最快的超級計算機，也無法得到精確的答案。在量子計算機上，該計算只花了不到千分之一秒就完成了。每一次量子計算都是不可靠的——量子噪聲的波動會不可避免地侵入并引起誤差——但每次計算都很快，所以可以重復執行。

事實上，在許多計算中，噪聲是有意添加進去的，答案因此更加不可靠。但通過改變噪聲量，研究人員可以梳理出噪聲的具體特征及其在計算的每一步中所產生的影響。

“我們可以非常精確地放大噪聲，然后重新運行同一電路，”IBM量子公司量子性能與演示部門經理阿比納夫 · 坎達拉（Abhinav Kandala）說，“一旦我們弄清楚了不同噪聲水平造成的結果，就可以推斷出在沒有噪聲的情況下可能會產生什么結果。”

本質上，研究人員能夠從不可靠的量子計算中消除噪聲的影響，并將這一過程稱為誤差緩解。“你必須發明一些非常聰明的方法來緩解噪聲，”阿哈羅諾夫博士說，“而這就是他們所做的事情。”

該計算機總共進行了60萬次計算，最終得到127個磁鐵棒產生的總磁化強度的答案。但答案的準確度又如何呢？

為了尋求幫助，IBM團隊找到了加州大學伯克利分校的物理學家。雖然帶有127個磁鐵棒的伊辛模型太大，可能的配置太多，無法置入傳統的計算機中，但經典算法可以得出近似的答案。這一技術類似壓縮JPEG格式的圖像——將不重要的數據舍棄，以縮減文件大小，同時保留大部分圖像的細節。

伯克利大學物理學教授、前述《自然》雜志論文的作者之一邁克爾 · 扎萊特爾（Michael Zaletel）說，當他開始與IBM合作時，他認為自己的經典算法會比量子算法更出色。“結果和我預期的有點不一樣。”扎萊特爾博士表示。

伊辛模型的某些配置問題可以精確地得到解決，經典算法和量子算法在一些更簡單的問題上得出的答案一樣。對于更復雜但可解的問題，量子算法和經典算法得出的答案不盡相同，而量子計算的答案是正確的。

“因此，對于那些量子和經典計算出現分歧且沒有精確解的其他情況，有理由相信量子計算得出的結果會更精確。”在經典近似方面進行過大量研究的加州大學伯克利分校在讀研究生薩揚特 · 阿南德（Sajant Anand）說道。

目前尚不清楚量子計算是否會無可爭議地勝過經典的伊辛模型技術。阿南德先生正試圖為經典算法增加一個誤差緩解的版本，以便匹配甚至超越量子計算的性能。“他們在這一領域并沒有獲得明顯的量子霸權。”扎萊特爾博士說。

從長遠來看，量子科學家希望“糾錯”這種截然不同的方法能夠檢測和糾正計算錯誤，這將為量子計算機的眾多用途開啟大門。傳統計算機和數據傳輸已經開始使用糾錯功能來修復故障。但對于量子計算機而言，糾錯可能還需要數年的時間，因為這需要性能更佳的處理器來處理更多的量子位。

IBM科學家認為，誤差緩解目前可用于解決除伊辛模型之外的日益復雜的問題，但仍然只是權宜之計。“這是目前知道的最簡單的自然科學問題之一，”甘貝塔博士說， “因此，這是一個不錯的開始。但現在的問題是如何對其進行概括，并將其應用于更有趣的自然科學問題中。”這些問題包括研究外來材料的特性、加速藥物開發以及建模融合反應等。

資料來源 The New York Times

本文作者肯尼斯 · 張（Kenneth Chang）自2000年起一直供職于《紐約時報》，撰寫有關物理學、地質學、化學和行星的文章。讀研期間，他的研究領域涉及混沌控制。后來他成為一名科學作家