IBM Eagle量子計(jì)算機(jī)復(fù)雜計(jì)算測(cè)試完敗傳統(tǒng)超級(jí)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(guò)自家127量子位元的Eagle量子計(jì)算機(jī)成功解決了一個(gè)難倒傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的復(fù)雜問(wèn)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(shì)”（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(kāi)了重要的一大步。

IBM通過(guò)量子運(yùn)算成功解決了目前超級(jí)計(jì)算機(jī)逼近法（pproximation method）所無(wú)法處理的復(fù)雜問(wèn)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(cuò)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(wèn)題

IBM研究團(tuán)隊(duì)首先將所搭配易出錯(cuò)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(guò)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的模擬來(lái)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(jí)計(jì)算機(jī)都碰壁之難題的價(jià)值，必須先解決兩個(gè)非常困難的問(wèn)題。首先，他們必須從與生俱來(lái)就充滿噪聲且易出錯(cuò)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(guò)這么大的模型，那么要怎么知道結(jié)果是正確的？

針對(duì)噪聲問(wèn)題，IBM通過(guò)錯(cuò)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(cuò)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(shí)，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(huì)通過(guò)循環(huán)冗余碼（Cyclical Redundancy Codes）對(duì)這些錯(cuò)誤進(jìn)行偵測(cè)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(huì)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(lái)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。

為了解決前述提到的第一個(gè)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(kāi)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(gè)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(shí)在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Lab）及普渡大學(xué)（Purdue University）的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行復(fù)雜問(wèn)題。結(jié)果在處理較低等級(jí)的復(fù)雜性問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)通過(guò)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(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)始顯露疲態(tài)，最終證明，該模型對(duì)于暴力破解法而言太過(guò)困難了。但I(xiàn)BM量子系統(tǒng)因拜全新先進(jìn)錯(cuò)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(shì)”（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(wú)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(lái)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(wèn)題。

（首圖來(lái)源：IBM）