可产生精确结果！IBM宣布：量子计算正式进入实用阶段！

当地时间2023年6月14日，IBM宣布了一项新的突破，首次证明了量子计算机可以在100多个量子位的规模上产生精确的结果，超越了领先的经典方法。目前该突破发表在科学杂志《自然》的封面上。

IBM表示，在他们的实验中，IBM团队已经证明，量子计算机有可能通过学习和减轻系统中的错误，来超越领先的经典模拟。该团队使用了由127个超导量子位组成的IBM Quantum “Eagle”量子处理器来生成大型纠缠态，模拟材料模型中自旋的动力学，并准确预测其磁化强度等特性。

为了验证该模型的准确性，数周以来，IBM Quantum和加州大学伯克利分校的研究人员轮流进行越来越复杂的物理模拟。IBM Quantum的科学家Youngseok Kim和Andrew Eddins将在127量子位的IBM Quantum Eagle处理器上测试它们。加州大学伯克利分校的Sajant Anand将在劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心 (NERSC)和普渡大学的超级计算机上使用最先进的经典近似方法进行同样的计算。他们会对照精确的暴力经典计算来检查每种方法。

最终，IBM Quantum Eagle处理器每次都给出了准确的答案。随着模拟变得越来越复杂，观察这两种计算范式的表现，两个团队都感到有信心，即使在超出“暴力”方法能力的情况下，量子计算机仍然比经典近似方法更准确地返回答案。

Eddins说：“量子计算和经典计算在如此大的问题上的一致程度让我个人感到非常惊讶。希望它能给每个人留下深刻印象。”

IBM表示，研究人员正在合作测试当今嘈杂、易出错的量子计算机是否有助于计算某些类型问题的准确结果。今天，他们在《自然》杂志的封面上发表了这项研究的结果。IBM Quantum和加州大学伯克利分校已经提供了证据，证明有噪声的量子计算机将能够比预期更快地提供价值，这一切都要归功于IBM Quantum硬件的进步和新的错误缓解方法的开发。

不过，需要注意的是，这并不是说今天的量子计算机超过了经典计算机的能力——其他经典方法和专业计算机也可能很快就会为我们测试的计算返回正确答案。但这不是重点。量子运行复杂电路和经典计算机验证量子结果的持续来回，将改善经典计算和量子计算，同时为用户提供对近期量子计算机能力的信心。

IBM Quantum量子理论与能力高级经理Sarah Sheldon表示：“我们可以开始将量子计算机视为研究其他难以研究的问题的工具。”

IBM高级副总裁兼研究总监Darío Gil表示：“这是我们第一次看到量子计算机在领先的经典方法之外，对自然界中的物理系统进行精确建模。对我们来说，这一里程碑是证明当今量子计算机有能力、有科学工具可以用来模拟经典系统极其困难——甚至不可能——的问题的重要一步，标志着我们现在正进入量子计算实用的新时代。”

如何消除误差？

早在2017年，IBM Quantum团队的研究人员就宣布了一项突破：使用量子计算机模拟了氢化锂和氢化铍等小分子的能量。这些模拟非常令人兴奋。但由于量子系统中的噪声，它们远未达到化学家所关心的精度或尺寸。但是这也为IBM真正的了解为什么这些模拟会出错奠定了基础。

大约在同一时间，该团队发表了一篇理论论文，成功树立了一个重要的路标。如果我们能真正了解出现噪声的原因，那么我们就有可能消除噪音的影响。然后，也许我们可以从嘈杂的量子计算机信息中提取出某些问题的有用信息。

之后，IBM Quantum团队意识到可以使用与通过脉冲拉伸技术控制量子位相同的技术来放大噪声的影响。从本质上讲，如果增加在每个量子位上运行单独操作所需的时间，那么就会按相同的因子缩放噪声量。

基于脉冲拉伸技术使该团队在2019年用四个量子位显著提高了LiH模拟的准确性。但问题仍然存在：这些方法可以扩展到什么程度？

IBM在将这些减少误差的模拟扩展到26个量子位后发现，这些方法可以产生比从经典计算机中有效获得的近似更接近理想答案的结果。这基本上为IBM当前的工作制定了蓝图。如果能够提高硬件的规模和质量，并开发出更好地控制噪声的方法，也许就可以在一定程度上准确地估计期望值，使其对实际应用有用。

这一突破成为该IBM Quantum团队在2022年发表在arXiv上的论文：《Probabilistic Error Cancellation,6 or PEC》。IBM意识到，根据其对机器的了解，可以假设一个基本的噪声模型。然后，可以学习某些参数来创建具有代表性的噪声模型。而且，当多次重复相同的量子计算时，可以研究插入新的门来消除噪声或放大噪声的效果。这个模型与量子计算机的大小相当——对大型处理器的噪声建模不再是一项艰巨的任务。

IBM Quantum的量子能力和演示经理Abhinav Kandala说：“关键是能够操纵脉冲拉伸之外的噪音。一旦这开始奏效，我们就可以进行更复杂的推断，以我们以前无法做到的方式抑制噪音中的偏见。”

这种噪音放大是难题的最后一块，是使用具有代表性的噪声模型，可以更准确地操纵和放大噪声。然后，可以使用一种称为零噪声外推（ZNE）的方法，应用经典的后处理来外推到没有噪声的情况下的计算结果。

IBM表示，我们知道错误缓解需要高性能的硬件，必须在规模、质量和速度上不断前进。有了127量子位IBM Quantum Eagle处理器，我们终于有了能够运行足够大的电路来应变经典方法的系统，具有比以往更好的相干时间和更低的错误率。于是就开始通过错误缓解来测试其最先进的量子处理器了。

△这张图表说明了ZNE噪声放大的基本原理，这是量子系统中一种减少误差的方法。使用ZNE技术，IBM将系统中的噪声放大到不同的级别，并评估每个级别的噪声。然后，将评估的数据与一些外推方法相结合，使我们能够外推回零噪声极限。

但是，像ZNE这样的错误缓解技术并不是万能的。要实现量子计算的全部潜力，需要在系统中建立冗余，并允许多个量子位协同工作来相互校正，这称为纠错。然而，通过减少误差，IBM意识到，在全尺寸误差校正时代之前，找到了一种方法来产生某些类型的精确计算，即使是使用嘈杂的量子计算机。并证明这些计算可能是有用的。

那么只需要测试IBM的错误缓解技术是否真的有效。首先在127位量子处理器上运行越来越复杂的量子计算，然后用经典计算机检查我们的工作。但我们是一家量子计算公司——我们不应该是用经典计算机检查自己工作的人。我们需要外部专家来验证这些计算是否正确。因此，我们寻求了研究员Sajant Anand、博士后研究员Yantao Wu和加州大学伯克利分校副教授Michael Zaletel的帮助。

有几种方法可以用经典计算机运行量子电路。第一种是计算期望值的“暴力”方法，类似于物理学生手工计算期望值。这需要首先将有关波函数的所有信息写入列表，然后创建一个数字网格（也称为矩阵）来执行计算。

△这张图表显示了量子计算机在一系列日益具有挑战性的计算问题上的性能，与最先进的经典近似方法相比，与精确的经典“暴力”方法相比。

△这张图表比较了量子计算机与经典近似方法在超越精确经典“暴力”方法能力的情况下的性能。

IBM投入了大量的研究精力来推进纠错。然而，在完全实现纠错之前，近期量子硬件是否能为有用的问题提供计算优势，这一问题存在争议。但是随着这篇论文的发布，让我们有充分的理由相信，有噪声的量子计算机也将能够提供价值。

“这项工作的关键是，我们现在可以使用Eagle的所有127个量子位来运行一个相当大的深度电路，而且计算结果是正确的，”IBM Quantum量子算法理论小组的原理研究人员兼经理Kristan Temme说。

这篇论文是一个数据点，表明我们正在进入量子优势时代。我们早就说过，量子优势将是一条连续的道路，需要两件事：首先，我们必须证明量子计算机可以胜过经典计算机；其次，我们必须找到加速有用的问题，并找出如何将它们映射到量子位上。

IBM的研究使我们跨越了第一点；虽然我们展示了一种优于领先经典方法的量子算法，但我们完全希望经典计算界能够开发出验证我们提出的结果的方法。然后我们将进行更困难的计算。这种反复对我们来说是令人兴奋的，因为它使计算变得更好。

Sajant Anand说：“它立即指出了新的经典方法的必要性。”。他们已经在研究这些方法了。“现在，我们在问，我们是否可以采用相同的误差缓解概念，并将其应用于经典张量网络模拟，看看我们是否可以获得更好的经典结果。”

同时，对于量子研究人员来说，“这也是一种学习过程”，Youngseok Kim说道。“我们如何优化我们的校准策略来运行这样的量子电路？我们能期待什么，我们需要做些什么来改善未来的情况？在我们运行项目的过程中，这些都是很好的发现。”

IBM宣布其量子系统全面升级127 bit量子处理器

在实现这项开创性的工作之后，IBM宣布，其在云上和合作伙伴位置现场运行的IBM量子系统将全部升级至由至少127个量子bit的系统，该计划将在明年完成。

这些处理器提供了足够大的计算能力，足以超过某些应用的经典方法，并将提供比以前的IBM量子系统更好的相干时间和更低的错误率。这些能力可以与不断进步的错误缓解技术相结合，使IBM量子系统能够满足行业的新阈值，IBM称之为“效用规模”，在这一点上，量子计算机可以作为科学工具来探索经典系统可能永远无法解决的新规模问题。

IBM研究员兼IBM quantum副总裁Jay Gambetta表示：“随着我们将有用的量子计算带给世界的使命的推进，我们有了探索一类全新计算问题所需的基石的确凿证据。通过为我们的IBM量子系统配备能够实现实用规模的处理器，我们邀请我们的客户、合作伙伴和合作者将他们最困难的问题带到当今量子系统的极限，并开始提取真正的价值。”

IBM表示，所有IBM Quantum系统用户都将能够在大于100个量子位的公用事业规模处理器上运行问题。IBM量子春季挑战赛的2000多名参与者在探索动态电路时营业可以使用这些公用事业规模的处理器，这项技术使运行更先进的量子算法变得更容易。

在欧洲建设全新量子数据中心

另据外媒报道，IBM已宣布将在欧洲设立第一座量子数据中心，将拥有多个 IBM 量子运算系统，每个系统皆配备了“公共事业规模量子处理器”，即整体量子比特规模超过 100 个量子位。

据悉，该量子数据中心将建于德国 Ehningen 的 IBM 园区，届时会成为 IBM Quantum 欧洲区域云端中心（European Cloud Region），也是 2019 年 IBM 纽约州波基普西市（Poughkeepsie）开设第一座量子数据中心和量子区域云端中心后第二座中心。

Jay Gambetta 表示，公用事业规模量子处理器时代到来，人们对云端量子运算的研究兴趣大增，IBM 量子数据中心将为欧洲先进量子电脑使用者提供新选择。

目前 IBM Quantum Network 成员有超过 60 家企业组织透过云端存取量子硬件与软件，包括德国工业巨头博世（Bosch）、德国大型粒子物理实验室“德国同步电子加速器”（Deutsches Elektronen-Synchrotron）、欧洲核物理研究中心（European Organization for Nuclear Research）及弗劳恩霍夫尔协会（Fraunhofer-Gesellschaft）。

今年5月，IBM 参加 G7 广岛峰会时还宣布为期十年、耗资 1 亿美元的计划，将与东京大学和芝加哥大学合作开发由 IBM Quantum System Two 新世代的量子运算系统，组成运算规模超过 10 万个量子比特的量子运算超级电脑，以解决最先进超级电脑可能永远无法解决的最紧迫问题。

IBM 打算扩大东京和芝加哥的伙伴关係，并将阿冈国家实验室（Argonne National Laboratory）及费米国家加速器实验室（Fermilab National Accelerator Laboratory）纳入为合作伙伴，届时两机构专业技术与知识，有助催生量子运算超级电脑竞赛的技术。

编辑：芯智讯-浪客剑