超越量子优越性，IBM 127-Q量子芯无需纠错即开启量子效用

近日，IBM和加州大学伯克利分校首次验证100+量子比特，无需纠错（Error correction），仍然可取得精确结果，甚至超越经典计算机。

研究人员在 IBM Eagle（127Q）量子处理器上模拟了磁性材料的行为，这一最新研究登上了Nature封面，标志着量子计算可实际应用的新里程碑。

这一成就也标志着向实用量子计算系统和软件的道路上迈出了真正关键性的一步。

四年前，谷歌的物理学家声称他们的量子计算机可以胜过经典机器，开启了所谓“量子霸权”的狂热，但是，当时的机器只是处理没有实际应用的小众计算问题。

有趣的是，这一成就可能正在加速我们走向那个科学家们甚至是企业的工程师能够使用量子系统来解决化学、材料科学、AI等领域以前无法解决的问题的日子。

01. IBM解决了什么问题？

在探讨IBM如何解决这些难题之前，且先看看他们要解决的问题。

IBM 正在模拟伊辛模型（ Ising model），这是一种“铁磁性的数学描述，由离散变量组成，这些变量表示原子“自旋”的磁偶极矩，可以处于两种状态之一（+1 或 -1）。”他们希望计算出这个系统的平均磁化强度。

如此复杂且相互关联的问题非常适合量子计算机处理，因为它可以有效地映射到量子计算机的量子比特上。

IBM提到：“虽然这样的问题由于其可变的动力学和广泛的潜在场景而非常适合量子计算，但由于当今量子计算机容易出错和嘈杂的状态，它以前一直无法进行量子计算。”

IBM 通过应用今年早些时候以及采用的错误缓解技术解决了噪音问题。

基本上，完全纠正量子计算中的错误目前是不可行的。

当受到宇宙粒子撞击时，传统计算机有 10^-27 的概率，“0”突然会变成“1”，数字上来看，这错误发生概率接近于零，但传统计算机使用循环冗余码来检测和纠正这些可能错误。所以经典计算是稳定且可靠实用的。

但不幸的是，在量子计算机中，这样的概率会增长 100 万亿倍，达到 10^-4 。恐怖的错误概率，以至于业界将不得不投入大部分量子计算机量子比特资源来查找和纠正错误！

但是，IBM 没有完全使用过去的纠错，而是使用零噪声外推 (Zero Noise Extrapolation, ZNE) 来减少偏差，方法是将噪声增加 20% 和 60%，然后外推回零噪声时的预期值。

图｜通过测量更多感应噪声的影响，可以推断回零噪声状态。应用 ZNE 可显著提高测量质量到近乎完美。

IBM 量子能力研究经理 Abhinav Kandala 博士说道：“我们之所以能够做到这一点，是因为我们现在已经构建了一个前所未有的规模和质量的量子系统，并开发了在这种规模的量子系统上操纵噪声的能力。”

实际上，过去量子客也介绍过，Ising模型已经被用来研究各种物理现象（客引：100量子比特，国产相干光量子计算机发布），包括铁磁性、反铁磁性、液-气相变和蛋白质折叠。它也被用在计算机科学中，用来研究优化和机器学习等问题。

02. 验证量子系统“正确”

IBM 在加州大学伯克利分校招募了领先的经典计算方法专家来解决这些问题。

这些团队同时在劳伦斯伯克利国家实验室和普渡大学的经典超级计算机上运行这个问题。

图｜IBM Quantum System 1 能够在 5 分钟多一点的运行时间内生成其估计结果

在较低的复杂程度下，量子结果与精确计算答案的蛮力模拟相匹配。

03. 超越量子优势，开启量子效用

过去，业界热衷谈论的量子优越性，现在发生了微妙的变化，这样的进展不再关心量子优越性的叙事，而是开启了量子实用性（量子效用）。

随着模型难度的增加，经典计算方法开始动摇。

以至于最终该模型对于蛮力方法来说难以在有效时间完成，但是量子方法相对于领先的经典近似的性能为研究人员提供了证据，证明量子计算机正在提供更准确的答案，当然，这要归功于新的企且先进的错误缓解技术。

虽然 IBM 无法在如此高级别复杂性上验证这些结果，但较低级别的结果匹配使他们有理由相信新结果实际上是准确的。

虽然，这和过去主张的量子优越性有一定的区别，事实上，关于经典-量子，IBM设想的是，未来将由两种范式的不断改进所定义，因为它们解决了最适合各自的问题。

但从实际情况来分析，现今的成果确实表明我们可以以有价值的方式使用当今的量子计算机，并解决经典计算机难以解决的问题。

因此，IBM 将当前最先进的技术描述为实现“量子效用”；它可以用来解决现实世界的问题，无论经典计算机能否达到相同的结果。

04. 未来，可期

尽管 IBM 科学家在推断结果时仍持谨慎态度，但这里的创新路径是明确的。

IBM 预计他们很快就能解决“100 量子比特乘 100 量子比特门深度线路”的问题，并计划在未来 10 年内拥有 100,000 量子比特的量子系统。

虽然，一些研究人员对噪声抑制的潜力不太乐观，并期望只有量子纠错才能实现即使在最大的经典超级计算机上也无法实现的计算。

但从长远来看，IBM 和大多数其他公司希望转向量子纠错，这种技术需要为每个数据量子位添加大量额外的量子位（谷歌的战略重点是改进量子纠错技术）。

目前，Eagle 有 127 个量子比特，但 IBM 预计将在今年晚些时候推出其迄今为止最强大的处理器，即 1,121 量子比特的 Condor 芯片。

IBM 量子技术负责人 Jay Gambetta 表示，该公司还在其开发管道中拥有多达 4,158 个量子比特的“实用规模化处理器”。

IBM为了实现这个长期目标，使得这些机器可以执行完全纠错算法，研究人员依然需要解决大量的工程问题。

但是，不断增加的量子比特数，以及在100+量子比特阶段都达到了量子效用，在突破1000的时候，又会碰出何种花火，目前看来，相比过去，更为乐观。

引用：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01965-3

[2]Kim, Y. et al. Nature 618, 500–505 (2023).

[3]Daley, A. J. et al. Nature 607, 667–676 (2022).

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