容易出错的量子计算新技术让经典计算机汗流浃背

尽管量子计算机不断改进，但它们仍然嘈杂且容易出错，这会导致有问题或错误的答案。科学家们预测，在研究人员能够充分纠正困扰纠缠量子比特或量子比特的错误之前，它们至少在五年或十年内不会真正胜过当今的“经典”超级计算机。

但是一项新的研究表明，即使缺乏良好的错误纠正，也有一些方法可以减少错误，这些方法可以使量子计算机在今天发挥作用。

纽约 IBM Quantum 的研究人员及其在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的合作者今天(6 月 14 日)在《自然》杂志上发表了报告他们将一台 127 量子比特的量子计算机与一台最先进的超级计算机进行了对比，并且至少在一种计算类型上击败了超级计算机。

研究人员说，之所以选择这种计算，并不是因为它对经典计算机来说很困难，而是因为它与物理学家一直在做的计算很相似。至关重要的是，计算可以变得越来越复杂，以测试当今嘈杂、容易出错的量子计算机是否可以为某些类型的常见计算产生准确的结果。

随着计算变得更加复杂，量子计算机产生了可验证的正确解决方案，而超级计算机算法产生了错误的答案，这一事实为具有错误缓解而不是更困难的纠错的量子计算算法提供了希望，可以解决前沿问题物理问题，例如理解超导体和新型电子材料的量子特性。加州大学伯克利分校的研究生和研究合著者Sajant Anand

说：“我们正在进入量子计算机可能能够做经典计算机上当前算法无法做的事情的机制。”

“我们可以开始将量子计算机视为一种工具，用于研究我们无法通过其他方式研究的问题，”IBM Quantum 量子理论和能力高级经理 Sarah Sheldon 补充道。加州大学伯克利分校物理学副教授、Thomas 和 Alison Schneider 教授的共同作者Michael Zaletel

表示，相反地，量子计算机击败经典计算机也可能激发新的想法来改进现在经典计算机上使用的量子算法。物理。

“进入它，我很确定经典方法会比量子方法做得更好，”他说。“因此，当 IBM 的零噪声外推版本比经典方法做得更好时，我的心情很复杂。但思考量子系统的工作原理实际上可能有助于我们找出解决问题的正确经典方法。虽然量子计算机确实做到了一些标准经典算法无法做到的事情，我们认为这是使经典算法变得更好的灵感，以便经典计算机在未来的性能与量子计算机一样好。”

增强噪声以抑制噪声

IBM 量子计算机看似优势的一个关键是量子错误缓解，这是一种处理量子计算伴随的噪音的新技术。矛盾的是，IBM 研究人员可控地增加了他们的量子电路中的噪声以获得噪声更大、更不准确的答案，然后向后推断以估计如果没有噪声计算机会得到的答案。这取决于对影响量子电路的噪声有很好的理解并预测它如何影响输出。

噪声问题的出现是因为 IBM 的量子比特是敏感的超导电路，代表二进制计算的零和一。当量子位纠缠进行计算时，不可避免的干扰(例如热量和振动)会改变纠缠，从而引入错误。纠缠越大，噪声的影响就越严重。

此外，作用于一组量子位的计算可能会在其他未涉及的量子位中引入随机错误。然后，额外的计算会加剧这些错误。科学家们希望使用额外的量子比特来监测此类错误，以便它们能够得到纠正——即所谓的容错纠错。但实现可扩展的容错是一项巨大的工程挑战，Zaletel 说，它是否能在实践中适用于更多数量的量子比特还有待证明。

相反，IBM 工程师提出了一种他们称为零噪声外推 (ZNE) 的错误缓解策略，该策略使用概率方法可控地增加量子设备上的噪声。根据一名前实习生的推荐，IBM 研究人员联系了 Anand、博士后研究员 Yantao Wu 和 Zaletel，请他们帮助评估使用这种错误缓解策略获得的结果的准确性。Zaletel 开发超级计算机算法来解决涉及量子系统的困难计算，例如新材料中的电子相互作用。这些采用张量网络模拟的算法可以直接应用于模拟量子计算机中的交互量子位。

在几周的时间里，IBM Quantum 的 Youngseok Kim 和 Andrew Eddins 在先进的 IBM Quantum Eagle 处理器上运行了越来越复杂的量子计算，然后 Anand 在 Cori 超级计算机和伯克利实验室的 Lawrencium 集群和普渡大学的Anvil 超级计算机。当 Quantum Eagle 在 2021 年推出时，它拥有所有量子计算机中数量最多的高质量量子比特，似乎超出了经典计算机的模拟能力。

事实上，在经典计算机上精确模拟所有 127 个纠缠量子比特需要天文数字的内存。量子态需要用 2 的 127 次方表示。那是 1 后跟 38 个零;典型的计算机可以存储大约 1000 亿个数字，少了 27 个数量级。为了简化问题，Anand、Wu 和 Zaletel 使用了近似技术，使他们能够在合理的时间内以合理的成本在经典计算机上解决问题。这些方法有点像 jpeg 图像压缩，因为它们去除了不太重要的信息，只保留在可用内存限制内获得准确答案所需的信息。

对于不太复杂的计算，阿南德证实了量子计算机结果的准确性，但随着计算深度的增长，量子计算机的结果与经典计算机的结果出现了分歧。对于某些特定参数，阿南德能够简化问题并计算出精确的解决方案，从而验证了经典计算机计算中的量子计算。在考虑的最大深度，精确解不可用，但量子和经典结果不一致。

研究人员警告说，虽然他们无法证明量子计算机对最困难计算的最终答案是正确的，但 Eagle 在之前运行中的成功让他们相信自己是正确的。

Zaletel 说：“量子计算机的成功不像是一场微调的事故。它实际上适用于它所应用的整个电路系列。”

友好竞争

虽然 Zaletel 对预测这种错误缓解技术是否适用于更多量子位或更深深度的计算持谨慎态度，但他说，结果仍然鼓舞人心。

“这有点刺激了一种友好竞争的感觉，”他说。“我有一种感觉，我们应该能够在经典计算机上模拟他们在做什么。但我们需要以一种更聪明、更好的方式来考虑它——量子设备所处的状态表明我们需要一个不同的方法。”