量子电脑(quantum computer)长期以来一直是热门的研究话题,有机会大幅取代现今的超级电脑。但过去科学家一直难以克服量子电脑系统中杂讯造成的影响。美国IBM公司研究团队近期发表在《自然》(Nature)期刊的最新成果,成功克服了量子杂讯的干扰,让量子电脑反覆进行复杂的物理模拟并获得一致且正确的答案,所展现的精确度也超越古典电脑。 量子电脑运用特殊的量子现象进行运算,如量子纠缠(entanglement)、叠加(superposition)等量子特性大幅加速运算与模拟的复杂度。传统电脑的位元非0即1,而量子电脑则存在着「叠加态」以及纠缠的模式。在2019年,Google曾宣称达到「量子霸权」(quantum supremacy),认为团队发展出的量子电脑计算能力已经能够超越现有传统电脑的极限、能够解决传统电脑无法解决的问题,但这项技术应用於现实生活中的实用性在当时饱受质疑,被认为急於发表恐怕有误导大众之嫌。 相较於当年Google的研究,本次IBM的研究人员使用127量子位元的IBM Quantum Eagle处理器来进行复杂的物理模拟,焦点着重在降低错误以获得可靠的结果。应用脉冲延伸(pulse stretching)与机率错误消除(probabilistic error cancellation)的方法,研究人员藉此理解量子电脑硬体中的基础杂讯,并消除杂讯的影响、获得可靠的数据结果。目前的成果验证了IBM透过减少杂讯而不是纠正错误的策略正确,但也有研究人员主张杂讯缓解的技术最终仍会遭遇瓶颈,如果要达到超级电脑等级的运算能力,仍然需要量子纠错的技术发展。 为了验证IBM Quantum Eagle模拟运算的结果是否正确,研究中还纳入美国柏克莱大学(University of California, Berkeley)的研究人员以传统电脑验证运算的结果。除了费时暴力计算出答案,考量到电路的复杂性难以使用传统电脑完成,柏克莱大学研究人员还开发了张量网路状态(tensor network state, TNS)方法,可以获得部分有效的模拟。运算的部分以美国国家能源研究科学计算中心(National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC)和普渡大学(Purdue University)的超级电脑进行,目前在传统电脑能提供答案的范畴,可以验证量子电脑所提供的答案都是正确的。 这次研究的重点已经初步证实量子电脑在运算上可以超越传统电脑,确认了量子霸权的存在;後续如果要证明量子霸权,还需要找到能够利用量子电脑解决、传统电脑无法解决的问题,并实际完成相关的计算。但现阶段的研究成果,已经足以让科学家对於量子计算有了更多的信心。 本次研究所使用的量子晶片IBM Quantum Eagle为127量子位元,IBM预计今年下半推出更有力的1121量子位元Condor晶片,并且正在发展4158量子位元的晶片,希望能用於公营事业规模的处理器需求。
新闻来源 1. Castelvecchi, D. (2023 June 14). IBM quantum computer passes calculation milestone. Nature. https://reurl.cc/01v4Lo 2. Kim, Y. et al. (2023). Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance. Nature, 618(7965), 500-505.