量子飞跃：IBM的纠错策略助其超越经典超级计算机

冷却 IBM Eagle 的低温恒温器的内部视图，包含 127 个量子比特，可以作为科学工具来探索经典方法可能无法解决的新规模问题。资料来源：IBM Research

不过，最近的一项研究表明，即使没有强大的纠错能力，也有办法减少误差，使量子计算机在当今世界发挥重要作用。

纽约 IBM 量子公司的研究人员与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在《自然》杂志上报告说，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比较。至少在一项特定的计算中，量子计算机的性能超过了超级计算机。

研究人员之所以选择这项计算，并不是因为它对经典计算机特别具有挑战性，而是因为它类似于物理学家经常进行的计算。重要的是，计算的复杂程度可以提高，以测试目前噪声大、易出错的量子计算机能否为特定类型的普通计算提供精确结果。

量子计算机在计算变得越来越复杂的过程中产生了可验证的正确解，而超级计算机算法却产生了错误答案，这一事实给人们带来了希望，即采用减少错误的量子计算算法，而不是更困难的纠错算法，可以解决尖端物理问题，如了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研究生、该研究合著者萨简特-阿南德（Sajant Anand）说："我们正在进入这样一个阶段：量子计算机可能能够完成目前经典计算机算法无法完成的事情。"

IBM量子公司量子理论与能力高级经理萨拉-谢尔顿（Sarah Sheldon）补充说："我们可以开始将量子计算机视为研究问题的工具，否则我们就无法研究这些问题。"

反过来说，量子计算机对经典计算机的胜利可能会激发新的想法，以增强目前经典计算机上使用的量子算法，加州大学伯克利分校物理学副教授、托马斯和艾莉森-施耐德物理学讲座教授迈克尔-扎莱特尔（Michael Zaletel）说："在研究过程中，我非常确信经典方法会比量子方法做得更好。因此，当 IBM 的零噪声外推版本比经典方法做得更好时，我百感交集。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处理问题的正确经典方法。虽然量子计算机做到了标准经典算法所做不到的事情，但我们认为这对改进经典算法是一个启发，以便将来经典计算机能像量子计算机一样运行良好。"

增强噪声以抑制噪声

IBM 量子计算机看似优势的关键之一是量子错误缓解，这是一种处理量子计算噪音的新技术。自相矛盾的是，IBM 的研究人员可控地增加量子电路中的噪声，从而得到噪声更大、更不准确的答案，然后向后推断计算机在没有噪声的情况下会得到的答案。这依赖于对影响量子电路的噪声的充分了解，以及对噪声如何影响输出的预测。

之所以会出现噪声问题，是因为 IBM 的量子比特是敏感的超导电路，代表二进制计算中的 0 和 1。当量子比特纠缠在一起进行计算时，热量和振动等不可避免的干扰会改变纠缠，从而带来误差。纠缠程度越高，噪声的影响就越大。

此外，作用于一组量子比特的计算会在其他未参与计算的量子比特中引入随机误差。额外的计算会加剧这些错误。科学家们希望利用额外的量子比特来监测这些错误，以便对其进行纠正，这就是所谓的容错纠错。但是，实现可扩展的容错是一项巨大的工程挑战，对于数量越来越多的量子比特来说，容错是否可行还有待验证，Zaletel 说。

取而代之的是，IBM 工程师提出了一种被称为零噪声外推法（ZNE）的误差缓解策略，即利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建议，IBM 研究人员找到了阿南德、博士后研究员吴艳涛和 Zaletel，请他们帮助评估使用这种误差缓解策略所获得结果的准确性。Zaletel 开发了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，可直接用于模拟量子计算机中相互作用的量子比特。

Cori 于 2017 年推出，是 Cray XC40 系列中的一个型号，拥有约 30 petaflops 的惊人峰值性能，稳居当时全球超级计算机的第五位。它配备了 2388 个英特尔至强"Haswell"处理器节点、9,688 个英特尔至强 Phi"Knight's Landing"节点和 1.8 PB 的 Cray Data Warp Burst Buffer 固态设备，它的名字是为了纪念著名的生物化学家 Gerty Cori。值得一提的是，Gerty Cori 是第一位获得诺贝尔科学奖的美国女性，也是诺贝尔生理学或医学奖的首位女性获得者。Cori 超级计算机于 2023 年 5 月 31 日退役。资料来源：伯克利实验室

量子与经典：实验

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 超级计算机上使用最先进的经典方法尝试了同样的计算。当量子鹰于 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 个纠缠的量子比特需要天文数字的内存。量子态需要用 127 个独立数字的 2 的幂来表示。也就是 1 后面跟 38 个零；一般计算机可以存储约 1000 亿个数字，少了 27 个数量级。为了简化问题，阿南德、吴和扎莱特尔使用了近似技术，使他们能够在经典计算机上以合理的时间和成本解决这个问题。这些方法有点像 jpeg 图像压缩，即在可用内存的限制下，去掉不那么重要的信息，只保留获得准确答案所需的信息。

Anvil 超级计算机是一台功能强大的超级计算机，可提供先进的计算能力，支持各种计算和数据密集型研究。资料来源：普渡大学

阿南德证实了量子计算机在不太复杂的计算中结果的准确性，但随着计算深度的增加，量子计算机的结果与经典计算机的结果出现了偏差。对于某些特定参数，阿南德能够简化问题并计算出精确解，从而验证量子计算结果优于经典计算机计算结果。在所考虑的最大深度上，虽然没有精确的解，但量子和经典结果却不一致。

研究人员提醒说，虽然他们无法证明量子计算机对最难计算的最终答案是正确的，但"老鹰"在前几次运行中取得的成功让他们确信这些答案是正确的。

"量子计算机的成功并非偶然。它实际上适用于整个电路家族，"扎莱特尔说。

友好竞争与未来展望

虽然扎莱特尔对预测这种减少错误的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，但他说，这些结果还是鼓舞人心的。

他说："这激发了一种友好竞争的感觉，我认为我们应该能够在经典计算机上模拟他们正在做的事情。但我们需要用一种更聪明、更好的方式来思考这个问题--量子设备正处于一个表明我们需要不同方法的阶段。"

一种方法是模拟 IBM 开发的 ZNE 技术。

阿南德说："现在，我们要问的是，我们能否将同样的误差缓解概念应用到经典张量网络模拟中，看看能否获得更好的经典结果。这项工作让我们有能力使用量子计算机作为经典计算机的验证工具，这颠覆了通常的做法。"