与传统超级计算机相比，量子计算机可为物理问题提供更佳答案。

位于纽约约克敦海茨的IBM华生研究中心的量子计算机模型

目前，量子计算机的计算范围都很小——智能手机的内置芯片包含数十亿个晶体管，而最强大的量子计算机的配置相当于几百个晶体管的量子量。它们也不可靠，如果你一遍又一遍地进行相同的计算，它们很可能每次都给出不同的答案。

但因为它们具有同时考虑多种可能的内在特性，量子计算机无须设计得太大，即可解决某些棘手的计算问题。近日，IBM研究人员宣称，他们研发出了一种解决量子计算机不可靠性的方法，而且能够得出可靠、实用的答案。

以色列耶路撒冷希伯来大学计算机科学教授、量子计算机公司Qedma首席科学官多里特 · 阿哈罗诺夫（Dorit Aharonov）介绍说：“IBM所展示的性能，堪称朝着严肃量子算法设计方向迈出的极为重要的一步。”

2019年，谷歌研究人员声称他们已经实现了“量子霸权”——在执行任务时，量子计算机比传统计算机要迅捷得多。而IBM研究人员则表示，他们已经实现了一些全新且更实用的功能，但在对外宣布时还是比较低调。

IBM量子副总裁杰伊 · 甘贝塔（Jay Gambetta）表示：“我们正在进入量子计算的新阶段——效用时代。”在2023年6月发表于《自然》杂志的一篇论文中，甘贝塔博士领导的IBM科学家团队介绍了他们的研究结果。

现代计算机被称为数字计算机或经典计算机，因为它们处理的信息位非1即0，非开即关。量子计算机则对捕获更复杂信息状态的量子位进行计算。物理学家埃尔温 · 薛定谔（Erwin Schredinger）曾做过一个思想实验，假设一只猫处于量子态，它可以同时处于既死又活的状态。跟这一情形类似，量子位可以同时是1和0。

这样一来，量子计算机可以一次进行多次计算，而数字计算机则必须单独执行每次计算。通过加快计算速度，量子计算机有可能解决当今化学和材料科学等领域重大而复杂的问题。同样地，量子计算机也可能存在阴暗面——通过破坏密码和加密通信的保护算法威胁个人隐私。

2019年，当谷歌研究人员宣称其霸主地位时，他们声称谷歌量子计算机可以在3分20秒之内完成一项计算任务，而最先进的传统超级计算机完成该任务大约需要1万年。

但包括IBM在内的一些其他研究人员对这一说法不以为然，称这是人为设立的问题。阿哈罗诺夫博士表示：“谷歌的实验的确令人印象深刻，但对于任何应用而言，这都不是一件有趣的事情。”事实证明，谷歌的计算结果也确实没有最初表现出来的那样令人印象深刻。中国一个研究团队能够通过使用非量子超级计算机在5分钟内完成同样的计算，远快于谷歌团队预计的1万年。

在这项新研究中，IBM研究人员执行了另一项不同的任务，引起了物理学家的兴趣。他们使用了一个包含127个量子位的量子处理器来模拟127个原子尺度的棒状磁体在磁场中的性能——它足够小，会受诡异的量子力学规则的控制。这是一个简单的系统，被称为伊辛模型，经常被用于磁性研究。

实验中使用的127量子位的IBM鹰量子处理器

这个问题太复杂了，即使使用最大、最快的超级计算机，也无法得到精确的答案。在量子计算机上，该计算只花了不到千分之一秒就完成了。每一次量子计算都是不可靠的——量子噪声的波动会不可避免地侵入并引起误差——但每次计算都很快，所以可以重复执行。

事实上，在许多计算中，噪声是有意添加进去的，答案因此更加不可靠。但通过改变噪声量，研究人员可以梳理出噪声的具体特征及其在计算的每一步中所产生的影响。

“我们可以非常精确地放大噪声，然后重新运行同一电路，”IBM量子公司量子性能与演示部门经理阿比纳夫 · 坎达拉（Abhinav Kandala）说，“一旦我们弄清楚了不同噪声水平造成的结果，就可以推断出在没有噪声的情况下可能会产生什么结果。”

本质上，研究人员能够从不可靠的量子计算中消除噪声的影响，并将这一过程称为误差缓解。“你必须发明一些非常聪明的方法来缓解噪声，”阿哈罗诺夫博士说，“而这就是他们所做的事情。”

该计算机总共进行了60万次计算，最终得到127个磁铁棒产生的总磁化强度的答案。但答案的准确度又如何呢？

为了寻求帮助，IBM团队找到了加州大学伯克利分校的物理学家。虽然带有127个磁铁棒的伊辛模型太大，可能的配置太多，无法置入传统的计算机中，但经典算法可以得出近似的答案。这一技术类似压缩JPEG格式的图像——将不重要的数据舍弃，以缩减文件大小，同时保留大部分图像的细节。

伯克利大学物理学教授、前述《自然》杂志论文的作者之一迈克尔 · 扎莱特尔（Michael Zaletel）说，当他开始与IBM合作时，他认为自己的经典算法会比量子算法更出色。“结果和我预期的有点不一样。”扎莱特尔博士表示。

伊辛模型的某些配置问题可以精确地得到解决，经典算法和量子算法在一些更简单的问题上得出的答案一样。对于更复杂但可解的问题，量子算法和经典算法得出的答案不尽相同，而量子计算的答案是正确的。

在IBM量子研究实验室使用低温系统

“因此，对于那些量子和经典计算出现分歧且没有精确解的其他情况，有理由相信量子计算得出的结果会更精确。”在经典近似方面进行过大量研究的加州大学伯克利分校在读研究生萨扬特 · 阿南德（Sajant Anand）说道。

目前尚不清楚量子计算是否会无可争议地胜过经典的伊辛模型技术。阿南德先生正试图为经典算法增加一个误差缓解的版本，以便匹配甚至超越量子计算的性能。“他们在这一领域并没有获得明显的量子霸权。”扎莱特尔博士说。

从长远来看，量子科学家希望“纠错”这种截然不同的方法能够检测和纠正计算错误，这将为量子计算机的众多用途开启大门。传统计算机和数据传输已经开始使用纠错功能来修复故障。但对于量子计算机而言，纠错可能还需要数年的时间，因为这需要性能更佳的处理器来处理更多的量子位。

IBM科学家认为，误差缓解目前可用于解决除伊辛模型之外的日益复杂的问题，但仍然只是权宜之计。“这是目前知道的最简单的自然科学问题之一，”甘贝塔博士说， “因此，这是一个不错的开始。但现在的问题是如何对其进行概括，并将其应用于更有趣的自然科学问题中。”这些问题包括研究外来材料的特性、加速药物开发以及建模融合反应等。

资料来源 The New York Times

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本文作者肯尼斯·张（Kenneth Chang）自2000年起一直供职于《纽约时报》，撰写有关物理学、地质学、化学和行星的文章。读研期间，他的研究领域涉及混沌控制。后来他成为一名科学作家