IBM Eagle量子計(jì)算機(jī)復(fù)雜計(jì)算測試完敗傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)

IBM在《自然》期刊發(fā)布論文，展現(xiàn)了量子運(yùn)算的新突破。他們首次通過自家127量子位元的Eagle量子計(jì)算機(jī)成功解決了一個難倒傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)的復(fù)雜問題。事實(shí)證明即使充滿噪聲的量子計(jì)算機(jī)也能產(chǎn)生比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)暴力破解算力更精準(zhǔn)的結(jié)果。雖然尚未達(dá)到“量子優(yōu)勢”（Quantum Advantage）的程度，但I(xiàn)BM自稱已實(shí)現(xiàn)所謂的“量子效用”（Quantum Utility），進(jìn)而為量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用性邁開了重要的一大步。

IBM通過量子運(yùn)算成功解決了目前超級計(jì)算機(jī)逼近法（pproximation method）所無法處理的復(fù)雜問題，進(jìn)而加速了不同學(xué)科科學(xué)家得以利用量子系統(tǒng)解決以往棘手之化學(xué)、材料科學(xué)、AI等領(lǐng)域難題的進(jìn)程。

拜全新先進(jìn)錯誤緩解技術(shù)之賜，IBM量子系統(tǒng)能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問題

IBM研究團(tuán)隊(duì)首先將所搭配易出錯誤的量子位元運(yùn)行在比深太空更低溫的環(huán)境下，然后再通過傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)的模擬來檢驗(yàn)結(jié)果。但要讓127量子位元的Eagle量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮解決傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)都碰壁之難題的價值，必須先解決兩個非常困難的問題。首先，他們必須從與生俱來就充滿噪聲且易出錯誤的量子計(jì)算機(jī)中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。其次，由于當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)從未運(yùn)行過這么大的模型，那么要怎么知道結(jié)果是正確的？

針對噪聲問題，IBM通過錯誤緩解（error mitigation）技術(shù)加以解決。但基本上，想要糾正量子運(yùn)算中的錯誤，目前為止仍不可行。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)受到宇宙粒子撞擊時，其“0”變成“1”的幾率是10的-27次方，雖然幾率接近零，但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仍會通過循環(huán)冗余碼（Cyclical Redundancy Codes）對這些錯誤進(jìn)行偵測與校正。同樣的情形發(fā)生在量子計(jì)算機(jī)上，其“0”變成“1”的幾率會增加100兆倍，達(dá)到10的-4次方，這迫使人們不得不投入大部分量子計(jì)算機(jī)算力來發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。

為了解決前述提到的第一個難題，IBM采用零噪聲外推法（Zero Noise Extrapolation）將噪聲加大20%及60%，然后外推回?zé)o噪聲下的期望值，進(jìn)而降低偏差。IBM表示他們之所以能夠做到這點(diǎn)，是因?yàn)樗麄円汛蛟斐隹涨耙?guī)模與品質(zhì)的量子系統(tǒng)，并開發(fā)了能在這樣規(guī)模量子系統(tǒng)上操控噪聲的能力所致。

為了解決前述第二個難題，IBM延攬了加州大學(xué)伯克利分校的頂尖傳統(tǒng)計(jì)算方法專家助陣。該研究團(tuán)隊(duì)同時在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Lab）及普渡大學(xué)（Purdue University）的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)上執(zhí)行復(fù)雜問題。結(jié)果在處理較低等級的復(fù)雜性問題上，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)通過暴力破解式模擬得出的精確答案相一致。但隨著模型難度的增加，傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)開始顯露疲態(tài)，最終證明，該模型對于暴力破解法而言太過困難了。但I(xiàn)BM量子系統(tǒng)因拜全新先進(jìn)錯誤緩解技術(shù)之賜，因而具備提供更準(zhǔn)確答案的能耐。

雖然目前該研究仍未達(dá)到所謂“量子優(yōu)勢”（也即量子霸權(quán)）的境界，也即量子系統(tǒng)能解決任何傳統(tǒng)計(jì)算都無法解決的難題。但I(xiàn)BM認(rèn)為已進(jìn)展到所謂的“量子效用”階段，隨著軟硬件技術(shù)的不斷突破，量子系統(tǒng)可用來驗(yàn)證傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，并解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問題。

（首圖來源：IBM）