IBM发现错误缓解技术可能提升量子计算的实用性 | 量子科话

2023-06-23 12:06

IBM公司的研究团队基于最新研制的127比特Eagle量子处理器IBM kyiv，通过错误缓解技术，实现了对特定结构伊辛模型的模拟，对于31，37，68，127比特规模的求解结果准确度均有一定程度提升。其中，对于系统规模为68比特的特定线路，提升效果最为明显，未使用错误缓解技术时的结果准确度不足20%，而通过错误缓解的处理，可以将准确度提升至95%以上。但系统的量子加速效果非常有限，IBM也明确表示，这一工作的目的不在于证明量子计算机比经典计算机快，而是在量子纠错尚未实现的阶段提升大规模量子计算线路的精度，为近期提高量子计算的实用性提供了可能。该成果于6月14日以封面论文的形式发表在《自然》杂志上。

研究论文以《在容错之前量子计算实用性的证据

(Evidence for the utility of quantum computing

before fault tolerance)》为题

发表于《自然》杂志

当前量子计算的最大挑战是不可避免的量子噪声，导致规模略大的量子线路无法可靠运行。发挥量子计算机的全部潜力需要设备能够纠正自身的错误。纠正这些经常发生的错误是一项艰巨的任务，需要大量的、多学科的工程努力。最终诞生的系统被称为容错量子计算机，其将由数千个高质量的量子比特组成，并由一个精密的控制系统控制。但在实现完全的容错性之前，是否可能在过渡期内实现有用的量子优势？

该期《自然》杂志封面

标题为《压倒噪声(Cutting Through the Noise)》

量子错误缓解是一种后处理方法，使用软件来补偿计算过程中产生的噪声。通过经典模拟验证少量量子比特的量子计算结果，从而以一定的可信度使得更大系统中的错误也得到缓解。IBM此次运行的量子线路，在规模上达到了127比特、60深度，包含2880个CNOT门，如此大规模量子线路此前从未被运行过。而IBM能够使得该量子线路在IBM kyiv处理器上仍能输出较为精确的结果，归功于两点原因：

1. 量子处理器性能的提升。IBM kyiv处理器不仅拥有127个量子比特，量子操控也达到了很高精度，其中单比特门、两比特门、读取错误率均值分别为0.0675%、1.15%、1.53%，对比我国最先进的“祖冲之号”量子处理器相应的三项指标0.16%、0.6%、2.25%，在单比特门和读取精度上有提升，而两比特门的错误率控制不及“祖冲之号”，综合指标属于国际第一梯队水平。

2. 错误缓解技术的成功应用。由于量子纠错需要耗费大量量子资源，当前量子计算尚无法使用量子纠错技术来保证大规模量子线路结果的正确性。但是错误缓解技术可以在不耗费太多量子资源的前提下，通过噪声的缩放和后处理，输出较为可靠的结果，适配于当前阶段的量子计算水平以提升计算结果正确性。

研究团队计算了单个自旋的磁化率

并使用后处理方法来缓解量子错误

他们还与两种经典模拟技术——矩阵直积态(MPS)

和等距张量网络态（isoTNS）的近似结果

进行了比较

曾带领谷歌团队在2019年实现了“量子计算优越性”里程碑的加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家John Martinis表示，尽管研究团队使用了一个非常简化的材料模型，但这些结果验证了IBM的短期战略，旨在通过减轻错误（而不是纠正错误）来提供可能有用的计算。从长远来看，包括IBM和谷歌在内大多数公司都将实现量子纠错作为愿景。

《自然》杂志“新闻与视点（News & Views）”栏目发表题为Quantum computer scales up by mitigating errors的文章报道了该成果[1]，并在文末评论到：“那么，这一进展是否改善了将量子计算应用于工业相关问题的前景呢？答案很可能是否定的：这样的算法必须涉及更大数量的量子比特和更多连续的门操作，才能与高性能的经典超级计算机竞争，而这些量子计算将不可避免地淹没在由错误引起的噪声中。”同时，《自然》杂志“新闻（News）”板块也进行了报道 [2]，并援引著名量子物理学家、奥地利因斯布鲁克大学Peter Zoller教授的观点[3]，“一些研究人员对量子错误缓解的潜力持悲观的态度，并认为只有量子纠错才能实现即使在最大的经典超级计算机上也无法完成的计算。”

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3

报道链接：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01884-3

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01965-3

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04940-6