IBM量子计算机通过计算里程碑

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美国总统乔·拜登（右）和IBM首席执行官Arvind Krishna在工厂里检查量子计算机。图片来源：Mandel Ngan/AFP via Getty

“基准”实验表明，量子计算机可能在两年内实际应用。

4年前，谷歌的物理学家声称，他们的量子计算机可以超越经典计算机，尽管其还没有实际应用。现在，IBM的同行表示，他们有证据表明，量子计算机将很快在有用的任务上击败经典计算机，比如计算材料的性质或基本粒子的相互作用。

在6月14日发表于《自然》杂志上的一项原理验证实验中，研究人员模拟了IBM Eagle量子处理器上磁性材料的行为。至关重要的是，他们设法绕过了量子噪声问题，以获得可靠的结果。量子噪声是这项技术的主要障碍，因为它会在计算中引入误差。

IBM量子理论小组负责人Katie Pizzolato说，他们的“纠错”技术使该团队能够“在经典计算机难以达到的规模上”进行量子计算。

美国加州大学圣巴巴拉分校的物理学家John Martinis领导谷歌团队在2019年实现了计算里程碑，尽管他们解决的问题使用的是一种非常简化、不切实际的材料模型，“这让你乐观地认为，它将在其他系统和更复杂的算法中发挥作用。”

芬兰量子计算初创公司Algorithmiq的首席执行官Sabrina Maniscalco表示，该实验为最先进的量子计算机提供了基准。“这些机器来了。”她说。Maniscalco的公司正在为量子化学计算开发使用误差缓解的算法。

量子计算机利用了特殊的量子现象，比如一个物体同时存在于两种“叠加”状态，以及多个物体共享一个共同的量子状态，物理学家称之为纠缠。量子位相当于普通计算机中的位，可以处于“0”和“1”状态的叠加状态，并且互相纠缠。

物理学家一直在试验一系列用于构建量子计算机的硬件，包括单个离子或中性原子的陷阱。IBM的方法是将每个量子位编码在一个微小的超导电路中，谷歌和其他公司也在使用这种方法。为了使量子计算机有效，量子位必须保持其量子态足够长的时间才能进行计算。因此，IBM团队表示，增加量子位的寿命是一项至关重要的工程。

在最新论文中，IBM物理学家Abhinav Kandala和合作者对每个量子位中的噪声进行了精确的测量，这些量子位可以遵循相对可预测的模式，这些模式由它们在设备内的位置、制造中的微观缺陷和其他因素决定。利用这些知识，研究人员推断出在没有噪声的情况下，他们的测量结果会是什么样子。然后，他们能够运行涉及Eagle所有127个量子位和多达60个处理步骤的计算，这比任何其他报道的量子计算实验都多。

Martinis说，这些结果验证了IBM的短期战略，该战略旨在通过减少而不是纠正错误来提供有用的计算。从长远来看，IBM和大多数其他公司希望转向量子纠错，这项技术需要为每个数据量子位提供大量额外的量子位。（谷歌的战略重点是改进量子纠错技术。）

一些研究人员表示降噪的潜力不太乐观，他们预计只有量子纠错才能实现即使是最大的经典超级计算机也无法实现的计算。

Eagle拥有127个量子位，但IBM预计将于今年晚些时候推出其迄今为止最强大的处理器，1121量子位Condor芯片。IBM量子技术部门负责人Jay Gambetta表示，该公司的开发管道中还有多达4158个量子位的“实用规模处理器”。他补充说，要实现到2033年建造10万台能够完全纠错算法的量子位机器的长期目标，研究人员需要解决大量的工程问题。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/d41586-023-01965-3