量子飞跃：IBM的纠错策略助其超越经典超级计算机

量子飞跃：IBM的纠错策略助其超越经典超级计算机冷却IBMEagle的低温恒温器的内部视图，包含127个量子比特，可以作为科学工具来探索经典方法可能无法解决的新规模问题。资料来源：IBMResearch不过，最近的一项研究表明，即使没有强大的纠错能力，也有办法减少误差，使量子计算机在当今世界发挥重要作用。纽约IBM量子公司的研究人员与加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的合作者在《自然》杂志上报告说，他们将一台127量子比特的量子计算机与一台最先进的超级计算机进行了比较。至少在一项特定的计算中，量子计算机的性能超过了超级计算机。研究人员之所以选择这项计算，并不是因为它对经典计算机特别具有挑战性，而是因为它类似于物理学家经常进行的计算。重要的是，计算的复杂程度可以提高，以测试目前噪声大、易出错的量子计算机能否为特定类型的普通计算提供精确结果。量子计算机在计算变得越来越复杂的过程中产生了可验证的正确解，而超级计算机算法却产生了错误答案，这一事实给人们带来了希望，即采用减少错误的量子计算算法，而不是更困难的纠错算法，可以解决尖端物理问题，如了解超导体和新型电子材料的量子特性。加州大学伯克利分校研究生、该研究合著者萨简特-阿南德（SajantAnand）说："我们正在进入这样一个阶段：量子计算机可能能够完成目前经典计算机算法无法完成的事情。"IBM量子公司量子理论与能力高级经理萨拉-谢尔顿（SarahSheldon）补充说："我们可以开始将量子计算机视为研究问题的工具，否则我们就无法研究这些问题。"反过来说，量子计算机对经典计算机的胜利可能会激发新的想法，以增强目前经典计算机上使用的量子算法，加州大学伯克利分校物理学副教授、托马斯和艾莉森-施耐德物理学讲座教授迈克尔-扎莱特尔（MichaelZaletel）说："在研究过程中，我非常确信经典方法会比量子方法做得更好。因此，当IBM的零噪声外推版本比经典方法做得更好时，我百感交集。但是，思考量子系统是如何工作的，实际上可能会帮助我们找出处理问题的正确经典方法。虽然量子计算机做到了标准经典算法所做不到的事情，但我们认为这对改进经典算法是一个启发，以便将来经典计算机能像量子计算机一样运行良好。"增强噪声以抑制噪声IBM量子计算机看似优势的关键之一是量子错误缓解，这是一种处理量子计算噪音的新技术。自相矛盾的是，IBM的研究人员可控地增加量子电路中的噪声，从而得到噪声更大、更不准确的答案，然后向后推断计算机在没有噪声的情况下会得到的答案。这依赖于对影响量子电路的噪声的充分了解，以及对噪声如何影响输出的预测。之所以会出现噪声问题，是因为IBM的量子比特是敏感的超导电路，代表二进制计算中的0和1。当量子比特纠缠在一起进行计算时，热量和振动等不可避免的干扰会改变纠缠，从而带来误差。纠缠程度越高，噪声的影响就越大。此外，作用于一组量子比特的计算会在其他未参与计算的量子比特中引入随机误差。额外的计算会加剧这些错误。科学家们希望利用额外的量子比特来监测这些错误，以便对其进行纠正，这就是所谓的容错纠错。但是，实现可扩展的容错是一项巨大的工程挑战，对于数量越来越多的量子比特来说，容错是否可行还有待验证，Zaletel说。取而代之的是，IBM工程师提出了一种被称为零噪声外推法（ZNE）的误差缓解策略，即利用概率方法可控地增加量子设备上的噪声。根据一名前实习生的建议，IBM研究人员找到了阿南德、博士后研究员吴艳涛和Zaletel，请他们帮助评估使用这种误差缓解策略所获得结果的准确性。Zaletel开发了超级计算机算法来解决涉及量子系统的困难计算，例如新材料中的电子相互作用。这些算法采用张量网络模拟，可直接用于模拟量子计算机中相互作用的量子比特。Cori于2017年推出，是CrayXC40系列中的一个型号，拥有约30petaflops的惊人峰值性能，稳居当时全球超级计算机的第五位。它配备了2388个英特尔至强"Haswell"处理器节点、9,688个英特尔至强Phi"Knight'sLanding"节点和1.8PB的CrayDataWarpBurstBuffer固态设备，它的名字是为了纪念著名的生物化学家GertyCori。值得一提的是，GertyCori是第一位获得诺贝尔科学奖的美国女性，也是诺贝尔生理学或医学奖的首位女性获得者。Cori超级计算机于2023年5月31日退役。资料来源：伯克利实验室量子与经典：实验在几周的时间里，IBMQuantum的YoungseokKim和AndrewEddins在先进的IBMQuantumEagle处理器上运行了越来越复杂的量子计算，然后Anand在伯克利实验室的Cori超级计算机和Lawrencium集群以及普渡大学的Anvil超级计算机上使用最先进的经典方法尝试了同样的计算。当量子鹰于2021年推出时，它拥有所有量子计算机中数量最多的高质量量子比特，似乎超出了经典计算机的模拟能力。事实上，在经典计算机上精确模拟所有127个纠缠的量子比特需要天文数字的内存。量子态需要用127个独立数字的2的幂来表示。也就是1后面跟38个零；一般计算机可以存储约1000亿个数字，少了27个数量级。为了简化问题，阿南德、吴和扎莱特尔使用了近似技术，使他们能够在经典计算机上以合理的时间和成本解决这个问题。这些方法有点像jpeg图像压缩，即在可用内存的限制下，去掉不那么重要的信息，只保留获得准确答案所需的信息。Anvil超级计算机是一台功能强大的超级计算机，可提供先进的计算能力，支持各种计算和数据密集型研究。资料来源：普渡大学阿南德证实了量子计算机在不太复杂的计算中结果的准确性，但随着计算深度的增加，量子计算机的结果与经典计算机的结果出现了偏差。对于某些特定参数，阿南德能够简化问题并计算出精确解，从而验证量子计算结果优于经典计算机计算结果。在所考虑的最大深度上，虽然没有精确的解，但量子和经典结果却不一致。研究人员提醒说，虽然他们无法证明量子计算机对最难计算的最终答案是正确的，但"老鹰"在前几次运行中取得的成功让他们确信这些答案是正确的。"量子计算机的成功并非偶然。它实际上适用于整个电路家族，"扎莱特尔说。友好竞争与未来展望虽然扎莱特尔对预测这种减少错误的技术是否适用于更多的量子比特或更深入的计算持谨慎态度，但他说，这些结果还是鼓舞人心的。他说："这激发了一种友好竞争的感觉，我认为我们应该能够在经典计算机上模拟他们正在做的事情。但我们需要用一种更聪明、更好的方式来思考这个问题--量子设备正处于一个表明我们需要不同方法的阶段。"一种方法是模拟IBM开发的ZNE技术。阿南德说："现在，我们要问的是，我们能否将同样的误差缓解概念应用到经典张量网络模拟中，看看能否获得更好的经典结果。这项工作让我们有能力使用量子计算机作为经典计算机的验证工具，这颠覆了通常的做法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377527.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377527.htm

IBM计算机“基准”实验显示量子计算机将在两年内超越传统计算机

IBM计算机“基准”实验显示量子计算机将在两年内超越传统计算机这项新研究的成果发表在上周的《自然》杂志上。科学家们使用IBM量子计算机Eagle来模拟真实材料的磁性，处理速度比传统计算机更快。IBM量子计算机之所以能超越传统计算机，是因为其使用了一种特殊的误差缓解过程来补偿噪声带来的影响。而噪声正是量子计算机的一个基本弱点。基于硅芯片的传统计算机依赖于“比特（bit）”进行运算，但其只能取0或1这两个值。相比之下，量子计算机使用的量子比特可以同时呈现多种状态。量子比特依赖于量子叠加和量子纠缠等量子现象。理论上这使得量子比特的计算速度更快，而且可以真正实现并行计算。相比之下，传统计算机基于比特的计算速度很慢，而且需要按顺序依次进行。但从历史上看，量子计算机有一个致命的弱点：量子比特的量子态非常脆弱，来自外部环境的微小破坏也会永远扰乱它们的状态，从而干扰所携带的信息。这使得量子计算机非常容易出错或“出现噪声”。在这一新的原理验证实验中，127量子比特的Eagle超级计算机用建立在超导电路上的量子比特计算了二维固体的完整磁性状态。然后，研究人员仔细测量每个量子比特所产生的噪声。事实证明，诸如超级计算材料中的缺陷等因素可以可靠预测每个量子比特所产生的噪声。据报道，研究小组随后利用这些预测值来模拟生成没有噪音的结果。量子霸权的说法之前就出现过。2019年，谷歌的科学家们声称，公司开发的量子计算机Sycamore在200秒内解决了一个普通计算机需要1万年才能破解的问题。但谷歌量子计算机所解决的问题本质上就是生成一长串随机数，然后检查它们的准确性，并没有什么实际用途。相比之下，用IBM量子计算机完成的新实验是一个高度简化但有真实应用价值的物理问题。2019年谷歌量子霸权研究成果参与者之一、加州大学圣巴巴拉分校物理学家约翰·马丁尼斯(JohnMartinis)表示，“这能让人们乐观认为，它将在其他系统和更复杂的算法中发挥作用。”（辰辰）...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366285.htm

Google再次宣称量子技术超越传统超级计算机

Google再次宣称量子技术超越传统超级计算机然而，量子界并非所有人都完全相信这一狂言。据英国《每日电讯报》报道，Google量子人工智能团队和多个合作者最近撰写的一篇研究论文指出，新的实验性量子机器超越了现有经典超级计算机的能力。这篇题为《随机电路采样中的相变》（PhasetransitioninRandomCircuitSampling）的论文探讨了量子计算机中的噪声问题。论文称，信号干扰与"相干演化竞争并破坏长程相关性"，这对充分利用量子处理器的计算能力构成了重大挑战。随机电路采样（RCS）实验似乎通过采用一种被Google称为"数字黑魔法"的"交叉熵基准"技术来有效缓解噪声的影响，从而解决了这一问题。Google宣布已成功组装了70个量子比特，与2019年设备中发现的53个量子比特相比有了显著提高。这一进步使该公司实现了突破性的量子优势，超越了依靠CPU和GPU的当代超级计算机。目前最强大的HPC系统（Frontier）可以在6.18秒内完成与上一代量子设备相同的计算，而Google表示，同样的机器需要47.2年才能达到70量子比特系统的能力。Google的下一代量子计算机比2019年的设备强大2.41亿倍。它也比中国研究人员最近展示的量子计算机更强大，并认为它"坚定地处于超越经典的量子计算体系中"。对量子计算潜在商业前景感兴趣的公司（Riverlane）首席执行官史蒂夫-布赖尔利（SteveBrierley）对Google的突破表示欢迎，认为这是量子至上的"重要里程碑"。量子初创公司UniversalQuantum的首席执行官塞巴斯蒂安-魏德（SebastianWeidt）说，量子计算机还需要展示更多的实用功能。Weidt说，这是"非常好的量子优势展示"，但Google研究人员描述的算法"还没有真正的实际应用"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370721.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370721.htm

量子计算机在适当的错误控制下更擅长猜测

量子计算机在适当的错误控制下更擅长猜测科学家们通过有效抑制位串猜谜游戏中的错误，管理长达26位的字符串，实现了量子加速。他们表明，通过适当的错误控制，即使在当前嘈杂的量子计算时代，量子计算机也能以比传统计算机更好的时间尺度执行完整算法。通过有效地减少在这个级别经常遇到的错误，他们成功地管理了长达26位的位串，比以前可能的要大得多。（对于上下文，一位指的是二进制数，可以是零或一）。量子计算机有望解决某些问题，其优势会随着问题复杂性的增加而增加。但是，它们也极易出错或产生噪音。Lidar表示，挑战在于“在当今量子计算机仍然‘嘈杂’的现实世界中获得优势。”当前量子计算的这种容易产生噪声的条件被称为“NISQ”（噪声中级量子）时代，该术语改编自用于描述经典计算设备的RISC架构。因此，任何现有的量子速度优势证明都需要降噪。一个问题的未知变量越多，计算机通常就越难解决。学者们可以通过玩一种游戏来评估计算机的性能，以了解算法猜测隐藏信息的速度有多快。例如，想象一下电视游戏Jeopardy的一个版本，参赛者轮流猜测一个已知长度的秘密单词，一次一个完整的单词。在随机更改秘密单词之前，主持人只为每个猜出的单词显示一个正确的字母。在他们的研究中，研究人员用位串替换了单词。一台经典计算机平均需要大约3300万次猜测才能正确识别26位字符串。相比之下，一台功能完美的量子计算机，在量子叠加中提出猜测，只需一次猜测就可以确定正确答案。这种效率来自运行25多年前由计算机科学家EthanBernstein和UmeshVazirani开发的量子算法。然而，噪声会显着阻碍这种指数量子优势。激光雷达和Pokharel通过采用称为动态去耦的噪声抑制技术实现了量子加速。他们花了一年的时间进行实验，Pokharel在USC的激光雷达下担任博士生。最初，应用动态解耦似乎会降低性能。然而，经过多次改进后，量子算法按预期运行。解决问题的时间比任何经典计算机都慢，随着问题变得越来越复杂，量子优势变得越来越明显。激光雷达指出，“目前，经典计算机仍然可以绝对地更快地解决问题。”换句话说，报告的优势是根据找到解决方案所需的时间尺度而不是绝对时间来衡量的。这意味着对于足够长的位串，量子解决方案最终会更快。该研究最终表明，通过适当的错误控制，即使在NISQ时代，量子计算机也可以执行完整的算法，并且比传统计算机更能缩短寻找解决方案所需的时间。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364371.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364371.htm

谷歌的新量子计算机能在几秒内执行其竞争对手 47 年才能完成的任务

谷歌的新量子计算机能在几秒内执行其竞争对手47年才能完成的任务谷歌近日宣布在量子计算机研发方面取得重大突破，声称已实现“量子霸权”。他们声称，他们的量子计算机可以在几秒钟内执行超级复杂的计算，而竞争对手最快的超级计算机需要大约47年才能完成。这不是谷歌第一次提出这样的说法。2019年，他们宣称量子霸权，但怀疑论者质疑他们主张的有效性。他们的竞争对手IBM认为，谷歌Sycamore量子计算机完成的任务并不是特别具有挑战性，并且在技术上可以由经典机器执行，尽管速度要慢得多。这一成就背后的谷歌研究人员在他们发表在arXiv预印本服务器上（尚未经过同行评审）的论文中解释说，量子计算机有潜力执行超出经典计算机能力的任务。他们进一步强调，在根据改进的经典方法评估计算成本时，他们的实验超越了现有的经典超级计算机。谷歌宣布推出的Sycamore量子处理器的升级版本，其现在运行在70个量子位上，而之前的量子位为53个。量子处理器拥有70个量子位，可以存储和处理70个量子信息单位，这对于任何经典计算机来说都是不可能完成的任务，无论其速度如何。为了说明功率的增加，该团队表示，经典超级计算机Frontier需要6.18秒才能匹配Google53量子位计算机的计算，但需要47.2年才能匹配最新计算机的计算。——

谷歌量子计算机6秒内完成47年计算 超越世界第一超算

谷歌量子计算机6秒内完成47年计算超越世界第一超算论文称，谷歌最新Sycamore量子处理器目前拥有70个量子比特，而2019年版本只有53个量子比特。量子比特的增加，意味着可以成倍地提高量子计算机的性能，这使得新处理器的稳健性大约是以前的2.41亿倍。最新研究将标志着，量子计算迎来里程碑时刻。凭借其计算优势，谷歌的量子计算机有望彻底改变包括人工智能在内的各个领域。以前所未有的速度解决复杂问题，有望解锁下一代人工智能模型，突破许多领域从未超越的界限。47年被凝结成瞬间每个量子比特可以同时存在于0、1或叠加的状态，因此存储和处理这种级别的量子信息的能力很不容易，即使是最快的经典计算机也无法比拟。谷歌团队在一篇论文中表示，量子计算机有望执行超出经典计算机能力的任务。‘我们根据改进的经典方法估算了计算成本，并证明我们的实验超出了现有经典超级计算机的能力。’就算是田纳西州的Frontier超算（这已经是目前全世界最快的超算了），也碰不了量子计算机的瓷。当然前提是量子计算机释放出自身的潜力。因为传统的计算机用二进制的代码语言运行，仅限于0和1，以及双重状态。而量子计算机超越了这个限制。不过，目前研究人员还不能确定谷歌量子计算机的制造成本究竟是多少。但变革性的计算能力是毋庸置疑的。根据谷歌团队的说法，Frontier超级计算机只需6.18秒即可匹配谷歌-53量子比特计算机的计算结果。然而，同样的一台Frontier则需要47.2年才能与谷歌最新的70量子计算机所能提供的的计算能力相匹配。领域内的许多专家都认为谷歌的新量子计算机是一项重大进步。剑桥量子公司Riverlane的CEOSteveBrierley将谷歌的进步称为一个‘重大里程碑’。‘量子霸权？这个问题我们不用再争论了。’同样，苏塞克斯量子技术中心主任的一位教授赞扬谷歌解决了传统计算机难以计算的某些特定学术问题。他强调，在我们眼前关键的下一步，是创建能够纠正自身固有操作错误的量子计算机。虽然IBM尚未对谷歌最新的量子计算机置评，但明显，谷歌在量子计算领域的这一进展引起了全球研究人员和公司的共同关注。毫无疑问，这将为计算技术的发展开辟新的前景和竞争。研究中，团队提到噪声与相干演化相竞争，并破坏了长程相关性，这使得充分利用近期量子处理器的计算能力成为一个巨大的挑战。研究人员进行了随机电路采样（RCS）实验，在这些实验中，他们确定了由量子动力学和噪声之间的相互作用驱动的不同阶段。在量子计算中，这涉及通过运行随机电路，并分析结果输出来测试量子计算机的性能，以评估其解决复杂问题的能力和效率。在电路深度的驱动下，系统首先经历动态相变，其中输出分布不再集中在比特串的一部分中。第二个是由噪声驱动的转换。利用交叉熵基准，研究人员观察到了阶段边界，这可以定义噪声量子演化的计算复杂性。在模拟的估计计算成本，比起经典计算机，53量子比特完成1百万个噪音样本比其快6.18秒。而70量子比特要快47.2年。最后，谷歌团队展示了一个24周期70量子比特的RCS实验，估计保真度为1.7-107%，这意味着在相同保真度下，电路体积增加了约60%。谷歌根据改进的经典方法估算了计算成本，并证明了新量子计算机有着超出了现有经典超级计算机的能力。70量子比特的Sycamore实现了量子优势谷歌团队表示，尽管迄今为止RCS已经取得了成功，但寻找近期噪声量子处理器的实际应用仍然是一个突出的挑战。他们进行的实验就提供了量子动力学如何与噪声相互作用的研究。观察到的相界为高噪声量子器件能够正确利用其计算能力的7个体系提供了定量指导。在弱噪声阶段，全局相关性主导XEB，这一事实保护了RCS免受欺骗的攻击，这些都是未来应用的设计方向。‘量子霸权’成乌龙？其实，早在2019年，谷歌便声称实现了量子霸权。研究人员在NASA网站上发表的论文一经发布，便引起了轰动。论文称，谷歌处理器能够在3分20秒内执行一个计算，而用当今最强大的超级计算机Summit进行同样的计算，需要约10000年。随后，谷歌这篇论文正式在Nature上重磅发表。论文通讯作者JohnMartinis和同事描述了实现量子霸权所取得的技术进展。他们研制了一台由54个量子比特组成的处理器（名为Sycamore处理器）。该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比，实现了指数级的增加。由于有1个量子比特无法有效工作，处理器实际只用了53个量子比特。研究团队开发的纠错流程可以保证较高的运算保真度（高达99.99%）。为了测试该系统，团队设计了一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务。对于经典计算机来说，这一任务的难度会随量子电路中量子比特数的增加而增加。最后，量子处理器在200秒左右的时间内从量子电路中采集了100万个样本，而当今最强大的超级计算机大约需要1万年的时间才能完成这一任务。Nature表示，‘谷歌实现量子霸权无疑是一项了不起的成就’。然而，针对谷歌‘量子霸权’事件的批判和质疑也随之而至。IBM团队写道，‘在一个经典的系统上，同样的任务的理想模拟可以在2.5天内完成，而且保真度要高得多。’这意味着谷歌实际上并没有表现出量子霸权，而且竞争仍在继续。微软、IBM也下注除了谷歌，IBM、微软也在量子计算机上押注未来。在微软看来，未来十年最大的创新可能是在聚变能源、人工智能和量子计算领域。6月，CEO纳德拉曾公布了微软宏伟目标，10年内建造出量子计算机。将未来250年的化学和材料科学进展压缩到未来25年。AzureQuantumElements通过整合高性能计算（HPC）、人工智能和量子计算的最新突破，可以加速科学发现。值得一提的是，AzureQuantum中的Copilot帮助科学家使用自然语言来推理复杂的化学和材料科学问题。前段时间，IBM量子计算机登上了Nature封面。IBM、加州大学伯克利分校的Nature论文展示了，一条通往有用量子计算的道路。研究首次证明，100+量子比特的量子处理器，可以产生精确结果，并达到超越领先的经典方法。最重要的是，无需纠错就可超越经典计算机。论文中，研究人员在IBM127量子比特鹰（Eagle）量子处理器上模拟了磁性材料的行为。至关重要的是，他们设法绕过了‘量子噪声’，取得了可靠结果。要知道，量子噪声会引入计算误差，是这项技术的主要障碍。有研究统计，自2015年以来量子计算的投资走势不断上涨。与经典计算相比，量子计算具有彻底改变行业和以指数级速度解决复杂问题的潜力。量子计算机的突破可能会彻底改变许多领域，从药物发现到气候建模、金融建模，甚至人工智能，其潜力是巨大的。具体来讲，对不同领域的影响：-密码学：增强加密和解密算法。-药物发现：加速新药的开发。-优化问题：解决复杂的优化挑战。-机器学习：改进模式识别和数据分析。-财务建模：加强财务风险分析和预测。-材料科学：设计具有特定特性的新型材料。-天气预报：提高天气预报的准确性。-量子化学：模拟和研究化学反应。-人工智能：增强人工智能算法和训练模型。这次，谷歌的新量子计算机标志着速度和潜力的突破性进步，开启了一个具有跨多个行业变革意义的计算新时代。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371165.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371165.htm