劃重點(diǎn)
01谷歌在Nature上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于低噪聲“相變”處理器的最新研究，展示了量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢的可能性。
02研究團(tuán)隊(duì)使用了名為Sycamore的量子處理器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噪聲降低到特定閾值以下時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上無法進(jìn)行模擬。
03由于量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式不同，其未來有望完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，如精確模擬化學(xué)反應(yīng)。
04然而，量子計(jì)算機(jī)目前仍無法取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，Sycamore處理器無法執(zhí)行常規(guī)計(jì)算機(jī)的典型操作。
05未來，研究人員希望建造出足夠大且?guī)缀鯚o錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)，從而徹底超越當(dāng)前的量子 VS 經(jīng)典之爭。
以上內(nèi)容由騰訊混元大模型生成，僅供參考
自從 1980 年代初量子計(jì)算機(jī)的概念首次被提出以來，科研人員一直期待著這種設(shè)備能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以應(yīng)對的難題。
得益于基礎(chǔ)理論、技術(shù)和材料的進(jìn)步，在過去五年中，量子計(jì)算機(jī)終于開始朝這個(gè)目標(biāo)邁出了實(shí)質(zhì)性的步伐。
近日，谷歌在 Nature 上發(fā)表的一項(xiàng)最新研究，展示了他們在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的新進(jìn)展，為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的競賽開啟了新的篇章。
研究團(tuán)隊(duì)使用了名為 Sycamore 的量子處理器進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)探索了量子計(jì)算機(jī)在何種條件下能夠超越傳統(tǒng)（經(jīng)典）計(jì)算機(jī)。
圖 | 谷歌 Sycamore 處理器（來源：Nature）
谷歌量子計(jì)算項(xiàng)目負(fù)責(zé)人塞爾吉奧博伊索（Sergio Boixo）對媒體表示，量子計(jì)算機(jī)并非單純比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快，而是完全不同的計(jì)算方式。
這種差異使其未來有望完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，比如精確模擬化學(xué)反應(yīng)。
在這項(xiàng)研究中，研究人員主要關(guān)注了量子隨機(jī)電路采樣這一基準(zhǔn)測試。
這個(gè)過程涉及對量子比特執(zhí)行一系列操作，并讓系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間演變，其輸出在很大程度上取決于量子力學(xué)中測量結(jié)果的隨機(jī)性。
當(dāng)引入足夠多的量子比特時(shí)，在傳統(tǒng)硬件上模擬量子隨機(jī)電路的性能會變得異常困難。需要了解的是，這種困難正是谷歌最初聲稱實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢”（Quantum Supremacy）的基矗
研究團(tuán)隊(duì)在長期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的“相變點(diǎn)”，它標(biāo)志著系統(tǒng)從高噪聲狀態(tài)向低噪聲狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
在高噪聲模式下，傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)仍可以模仿量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算。
但當(dāng)噪聲降低到特定閾值以下時(shí)，Sycamore 處理器的計(jì)算復(fù)雜度會達(dá)到一個(gè)程度，使得傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上無法進(jìn)行模擬。
據(jù)估計(jì)，即使是世界上最快的超級計(jì)算機(jī)也需要長達(dá)數(shù)萬億年的時(shí)間。
這一發(fā)現(xiàn)得到了量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＜业恼J(rèn)可，美國集成量子計(jì)算公司 Quantinuum 的量子計(jì)算研究員邁克爾福斯-費(fèi)格（Michael Foss-Feig）對媒體表示，谷歌這次很好地澄清并解決了量子隨機(jī)電路采樣中的許多已知問題。
博伊索將量子隨機(jī)電路的運(yùn)行比作一場競賽，這是量子關(guān)聯(lián)傳播與破壞性誤差之間的較量。
他解釋說，這本質(zhì)上是量子關(guān)聯(lián)（或糾纏）的增長與噪聲的對抗。量子門通過最快速度產(chǎn)生糾纏，而噪聲則試圖破壞這種關(guān)聯(lián)的形成。這種對抗關(guān)系決定了量子計(jì)算機(jī)的性能界限。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院的量子物理學(xué)家陸朝陽認(rèn)為，“量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的持續(xù)競爭推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展，促使研究人員不斷建造更大、更高質(zhì)量的量子計(jì)算機(jī)。這種競爭關(guān)系也幫助我們更好地理解量子計(jì)算機(jī)的局限性和潛力。”
值得注意的是，即便在低噪聲狀態(tài)下，量子計(jì)算系統(tǒng)仍然可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。每次操作都存在出錯(cuò)的可能性，而且即使在閑置狀態(tài)下，量子比特也可能丟失其狀態(tài)。
研究人員使用交叉熵基準(zhǔn)測試，來評估系統(tǒng)的整體保真度。當(dāng)錯(cuò)誤率超過臨界點(diǎn)時(shí)，它們會迅速中斷糾纏過程，這往往會形成兩個(gè)較小的獨(dú)立糾纏系統(tǒng)。
他們通過創(chuàng)建兩個(gè)不同的糾纏量子比特簇來模擬這種情況，這些量子比特簇可以通過一次操作相互糾纏，從而允許他們隨意啟動(dòng)或關(guān)閉糾纏。
圖 | 谷歌 Sycamore 處理器（來源：谷歌）
回顧歷史，谷歌在 2019 年曾宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)勢”，聲稱其 53 量子比特計(jì)算機(jī)在 200 秒內(nèi)完成的運(yùn)算需要傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)運(yùn)行 1 萬年。
然而，這一說法很快受到質(zhì)疑。IBM 的研究人員曾回應(yīng)稱，傳統(tǒng)超算實(shí)際上可以在幾天內(nèi)完成該任務(wù)。
今年 6 月，陸朝陽及其同事更是用強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在一分多鐘內(nèi)就完成了相同的運(yùn)算，用行動(dòng)推翻了谷歌當(dāng)時(shí)的說法。這些挑戰(zhàn)推動(dòng)谷歌進(jìn)行了更深入的研究，最終導(dǎo)致了此次突破性發(fā)現(xiàn)。
目前，量子計(jì)算機(jī)還無法取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。Sycamore 處理器無法執(zhí)行常規(guī)計(jì)算機(jī)的典型操作，如存儲照片或發(fā)送電子郵件。
但這項(xiàng)研究表明，在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始展現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢。
為了降低溫度波動(dòng)帶來的干擾，這種芯片需要在接近絕對零度的超低溫環(huán)境下運(yùn)行。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的經(jīng)典比特（只能是 0 或 1）不同，量子計(jì)算機(jī)依賴于量子比特，這使得它能夠以指數(shù)級更少的比特?cái)?shù)量完成某些任務(wù)。
例如，在運(yùn)行量子隨機(jī)電路算法時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要 1024 個(gè)比特，而量子計(jì)算機(jī)只需要 10 個(gè)量子比特。
這項(xiàng)研究的深遠(yuǎn)意義不僅在于證明量子隨機(jī)電路的性能，更在于它為整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域提供了新的發(fā)展方向。
博伊索強(qiáng)調(diào)，如果在這個(gè)最簡單的基準(zhǔn)測試上無法取得優(yōu)勢，那么在其他應(yīng)用上也不太可能獲得突破。
這也解釋了為什么谷歌選擇專注于改進(jìn)單一處理器設(shè)計(jì)，而不是像其他競爭對手那樣急于增加量子比特?cái)?shù)量。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，即使是量子比特噪聲水平的微小差異，比如從 99.4% 的無錯(cuò)誤率提升到 99.7%，也會導(dǎo)致 Sycamore 表現(xiàn)出新狀態(tài)，類似物質(zhì)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)對于理解和改進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的性能來說至關(guān)重要。
“噪聲的作用是將系統(tǒng)變成更經(jīng)典的系統(tǒng)。”博伊索對媒體說。一旦運(yùn)行 67 個(gè)量子比特的 Sycamore 升級版超過某個(gè)噪聲閾值，其隨機(jī)電路采樣輸出就無法再用經(jīng)典方法模擬。
隨著量子計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，研究人員希望有朝一日能夠建造出足夠大且?guī)缀鯚o錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)，從而徹底超越當(dāng)前的量子 VS 經(jīng)典之爭。
但在那一天到來之前，這種競爭將繼續(xù)推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。
參考資料：
https://arstechnica.com/science/2024/10/google-identifies-low-noise-phase-transition-in-its-quantum-processor/
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03288-3
運(yùn)營/排版：何晨龍
