IBM
投注大量資源研發量子運算技術的IBM,近日其研究人員在科學期刊《自然》,發表了最新的量子運算研究成果,該公司使用127量子位元的IBM Quantum Eagle處理器,反覆進行複雜的物理模擬,並且取得一致且正確的答案,其精確度甚至超越古典電腦,研究人員表示,這是證明量子電腦可以勝過古典電腦的關鍵,同時也代表著人類正進入量子優勢(Quantum Advantage)時代。
過去科學家對量子電腦信心不足的原因,在於無法克服量子電腦系統中雜訊對模擬所產生的影響,也就是說,量子電腦的雜訊,可能會導致系統運算結果偏離真實數值。另外,科學家面臨的另一個課題是調整雜訊影響的方法,以及如何擴展這個方法,在具有更大量子位元的電腦中克服雜訊問題。
研究團隊發現脈衝延伸(Pulse Stretching)技術,可能是有效解決雜訊問題的方法,這個方法的中心思想是,先了解什麼是雜訊或是引起雜訊的原因,才可能進一步找到消除雜訊的方法。
所謂的脈衝,指得便是用來操作和控制量子位元的電磁脈衝,在進行量子計算時,必須使用特定的電磁脈衝來改變量子位元的狀態,或是進行疊加或是糾纏等更複雜的操作。
而脈衝延伸是藉由拉長電磁脈衝的時間長度,藉此放大控制系統中的雜訊。當操作的時間拉長到原先的兩倍,則預期的雜訊也會增加到原來的兩倍,如此科學家便更容易觀察和測量雜訊,以理解並消除雜訊的影響。
但是光靠脈衝延伸並無法達到理想的精確度,研究團隊也使用一種稱為機率錯誤消除(Probabilistic Error Cancellation)的方法,理解量子電腦硬體的基礎雜訊,創建雜訊代表模型,並藉由在系統中插入新的量子閘來控制雜訊,結合零雜訊外推法(Zero Noise Extrapolation,ZNE),更精確的操作和放大雜訊,應用後處理方法,外推出沒有雜訊影響應該得到的計算結果。
除了方法的改進,量子硬體的能力也對於解決錯誤有著關鍵性影響,一直到了當前127量子位元的IBM Quantum Eagle處理器,量子電腦才算真正有能力挑戰當前古典電腦的極限,並且取得更好的計算速度與結果。
IBM為了驗證自家量子電腦的研究,邀請柏克萊大學的研究人員,以古典電腦來驗證量子電腦的運算結果。對於較少的量子電路,仍可以用暴力計算法算出切確的答案,但是隨著量子位元的增加,量子電路複雜度就越來越高,古典電腦終究無法捕捉到足夠大的量子電路複雜性,因此柏克萊大學研究人員發展了張量網路狀態(Tensor Network State,TNS)方法,在暴力計算法失效時,仍可進行有效的模擬,只是可能會丟失部分資訊。
古典運算的部分在NERSC和普渡大學的超級電腦上進行,並比對量子電腦的計算結果,結果顯示,量子方法和古典方法結果一致,且隨著複雜度增加,當超過古典電腦所能夠提供精確答案的範疇,量子電腦仍可以計算出答案,雖然科學家已經無法證實該答案的正確性,但是經過前幾輪的實驗,科學家確信量子電腦的答案是正確的。
這項研究的重要性,在於證明量子優勢的存在,科學家要確認量子運算存在優勢,需要確認兩件事,第一是證明量子電腦可以勝過古典電腦,第二則是科學家必須找到能夠利用量子優勢解決的問題,並將這些問題映射到量子位元上。IBM的研究已經跨越了第一點,讓科學家對量子計算更加有信心,甚至可將量子電腦當作古典運算的驗證工具。
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