轻易出错的量子计算新技术让经典计算机汗流浃背

发布时间：2023-06-19 10:00:53 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　量子计算机虽然不断改进,但仍然噪音严重,也易出错,结果往往不确定或者有误。科学家预测，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

　　量子计算机虽然不断改进,但仍然噪音严重,也易出错,结果往往不确定或者有误。科学家预测，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超越今天的“经典”超级计算机。

　　但一项新的研究表明，即使缺乏良好的纠错能力，也有一些方法可以减轻错误，使量子计算机在今天有用。

　　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在《自然》杂志上报告说，他们将一台<>量子位的量子计算机与一台最先进的超级计算机进行了对比，并且至少在一种类型的计算中击败了超级计算机。

　　研究人员说，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相似。至关重要的是，计算可能会变得越来越复杂，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。

　　随着计算变得越来越复杂，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不正确的答案，这一事实为具有错误缓解的量子计算算法提供了希望，而不是更困难的纠错，可以解决尖端的物理问题，例如理解超导体和新型电子材料的量子特性。

　　“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到的事情的制度，”加州大学伯克利分校研究生和研究合著者Sajant Anand说。

　　加州大学伯克利分校的Sajant Anand和IBM的研究人员讨论了一项新研究，该研究表明，错误缓解可以使量子计算机在一些常见的物理计算中比超级计算机更具优势。

　　“我们可以开始将量子计算机视为研究我们无法研究的问题的工具，”IBM Quantum量子理论和能力高级经理Sarah Sheldon补充道。

　　相反，量子计算机对经典计算机的嘲弄也可能激发新的想法，以改进现在在经典计算机上使用的量子算法，根据共同作者Michael Zaletel的说法，加州大学伯克利分校物理学副教授，托马斯和艾莉森施耐德物理学主席。

　　“进入它，我很确定经典方法会比量子方法做得更好，”他说。“所以，当IBM的零噪声外推版本比经典方法做得更好时，我的情绪很复杂。但是，思考量子系统是如何工作的，实际上可能会帮助我们找出解决问题的正确经典方法。虽然量子计算机做了标准经典算法无法做到的事情，但我们认为这是使经典算法更好的灵感，以便一部分经典计算机在实现未来的可靠性表现与真正的量子计算机一样出乎意料的好。

　　增强噪音以抑制噪音

　　IBM量子计算机看似优势的一个关键是量子误差缓解，这是一种处理量子计算伴随噪声的新技术。矛盾的是，IBM研究人员可控地增加了量子电路中的噪声，以获得更嘈杂，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。这依赖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。当量子比特纠缠进行计算时，不可避免的烦恼（如热量和振动）会改变纠缠，从而引入错误。纠场越大，噪声的影响越差。

　　量子计算机有可能解决世界上一些最大的问题，但它们受到对环境噪声引起的错误极度敏感的限制。IBM Quantum和加州大学伯克利分校的新研究表明，一系列称为量子减错的计算技术可以使量子计算机解决有用的问题，其规模远远超过最复杂的经典超级计算方法的能力。

　　此外，作用于一组量子比特的计算可能会在其他未涉及的量子比特中引入随机错误。然后，其他计算会使这些错误更加复杂。科学家希望使用额外的量子比特来监测这些错误，以便纠正它们，即所谓的容错纠错。但是实现可扩展的容错是一个巨大的工程挑战，它是否在实践中适用于更多的量子比特还有待观察，Zaletel说。

　　相反，IBM工程师提出了一种错误缓解策略，他们称之为零噪声外推（ZNE），它使用概率方法来控制地增加量子设备上的噪声。根据一位前实习生的建议，IBM研究人员联系了Anand，博士后研究员Yantao Wu和Zaletel，要求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。这些算法采用张量网络模拟，可以直接应用于模拟量子计算机中的相互作用量子比特。

　　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在伯克利实验室的Cori超级计算机和Lawrencium集群以及普渡大学的Anvil超级计算机上尝试使用最先进的经典方法进行相同的计算。当 Quantum Eagle 于2021 年推出时，它的高质量量子比特数量是所有量子计算机中最高的，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个纠缠的量子比特需要天文数字的内存。量子态需要用 2 到 127 个独立数字的幂来表示。即 1 后跟 38 个零;典型的计算机可以存储大约100亿个数字，太小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，因为它们删除了不太重要的信息，只保留在可用内存范围内获得准确答案所需的信息。

　　阿南德证实了量子计算机对不太复杂的计算结果的准确性，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有所不同。对于某些特定参数，Anand能够简化问题并计算出精确的解，这些解验证了量子计算优于经典计算机计算。在考虑的最大深度，没有精确的解决方案，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在之前的运行中的成功让他们相信他们是正确的。

　　“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家族，“Zaletel说。

　　友谊赛

　　他说，虽然Zaletel对预测这种错误缓解技术是否适用于更多的量子比特或更深入的计算持谨慎态度，但结果仍然鼓舞人心。

　　“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。但我们需要以一种聪明和更好的方式思考它 - 量子设备处于一种状态，它表明我们需要一种不同的方法。

　　一种方法是模拟IBM开发的ZNE技术。

　　“现在，我们问我们是否可以采用相同的错误缓解概念并将其应用于经典张量网络模拟，看看我们是否可以获得更好的经典结果，”Anand说。“这项工作使我们能够使用量子计算机作为经典计算机的验证工具，这是在通常做的事情上翻转脚本。“我们希望我们的研究成果能够帮助人们理解量子计算机如何运行，以及它是如何工作的。”他说。

（编辑：上海站长网）

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