量子计算机有望两年内投入实际应用

本文转自：中国科学报

Eagle量子处理器。 图片来源：IBM

本报讯 一项基准实验表明，量子计算机可能在两年内投入实际应用。

4年前，谷歌的物理学家声称，尽管还没有实际应用，但他们的量子计算机可以超越经典计算机。现在，IBM的同行则说，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》的一项原理验证实验中，研究人员在IBM的Eagle量子处理器上模拟了磁性材料的行为。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。他说，尽管研究人员为解决问题使用了一种非常简化、不切实际的材料模型，但“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”状态中，以及多个物体共享一个量子状态，物理学家称之为纠缠。量子比特相当于普通计算机比特的量子等价物，可以处于“0”和“1”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比特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，量子比特的量子态必须保持足够长的时间才能进行计算。因此，IBM团队表示，延长量子比特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与合作者对每个量子比特中的噪声进行了精确测量，这些量子比特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个量子比特和多达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要多。

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。从长远看，IBM和其他大多数公司希望转向量子纠错，这项技术需要为每个数据量子比特提供大量额外的量子比特。而谷歌的战略重点是改进量子纠错技术。

一些研究人员对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个量子比特，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量子比特的Condor芯片。IBM量子技术部门负责人Jay Gambetta表示，该公司还在开发多达4158个量子比特的“实用规模处理器”。他补充说，要实现到2033年建造10万量子比特机器的长期目标，研究人员需要解决大量的工程问题。