科學(xué)探索：量子計(jì)算機(jī)的瓶頸，將如何突破？

在物理學(xué)中，時(shí)間是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題。到目前為止，大多數(shù)人已經(jīng)聽說過量子計(jì)算是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，它的原理是利用量子的新奇特性，以比普通計(jì)算機(jī)更快的速度解決特定的問題（比如大數(shù)分解）。這些問題在許多領(lǐng)域都存在，從數(shù)學(xué)到零售業(yè)，從物理學(xué)到金融學(xué)，無處不在。一旦某個(gè)國家擁有了這樣的量子技術(shù)，國家整體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將得到明顯提升，競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)隨之增強(qiáng)。
20世紀(jì)80年代，量子計(jì)算的廣闊前景開始被科學(xué)家意識(shí)到，但至今仍未真正實(shí)現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和編程都非常困難，因?yàn)樵肼?、錯(cuò)誤以及各種量子退相干效應(yīng)都會(huì)影響量子計(jì)算機(jī)的性能，甚至?xí)?duì)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生致命影響。
由振動(dòng)、溫度漲落、電磁波和其他與外界環(huán)境相互作用引起的相干性的喪失叫做退相干，這種效應(yīng)會(huì)破壞量子特性。考慮到目前普遍存在的退相干和其他影響因素，即使在執(zhí)行時(shí)間很短的情況下，現(xiàn)代量子計(jì)算機(jī)也不太可能具有太大的實(shí)用性。
盡管科學(xué)家正在解決這些問題，但還沒有一個(gè)現(xiàn)有的硬件平臺(tái)能夠保持相干性并提供大規(guī)模計(jì)算所需的穩(wěn)定糾錯(cuò)能力。有價(jià)值的突破或許還要等待很多年才能出現(xiàn)。
與此同時(shí)，一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的問題是，在完成真正的量子計(jì)算機(jī)之前，我們?nèi)绾螐囊慌_(tái)不可靠的量子計(jì)算機(jī)中獲得有用的結(jié)果？
答案來自多個(gè)方面，工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在尋求減少量子計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤的方法。其中一種方法是根據(jù)不同噪聲水平下的計(jì)算結(jié)果來估計(jì)無錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。另一種方法是混合量子經(jīng)典算法，只在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行一個(gè)程序中最關(guān)鍵的部分，而其他大部分的程序則在更穩(wěn)定的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。事實(shí)證明，這些方案對(duì)于消除噪聲環(huán)境對(duì)量子計(jì)算機(jī)的影響都非常有用。
雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)也受到各種錯(cuò)誤源的影響，但這些錯(cuò)誤可以通過適量的額外存儲(chǔ)和邏輯來糾正。量子糾錯(cuò)方案確實(shí)存在，但它消耗了太多的量子比特，以至于可以用于實(shí)際計(jì)算的量子比特比用于糾錯(cuò)的更少（這就好像軍隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)上需要?jiǎng)訂T十個(gè)戰(zhàn)士去保護(hù)一個(gè)傷員一樣，損失了部隊(duì)的整體戰(zhàn)斗力）。
為了更清楚地說明節(jié)約量子比特的重要性，我們要知道，基于量子比特邏輯門的量子計(jì)算機(jī)，類似于你讀這篇文章時(shí)所用的電腦、手機(jī)或平板電腦中的那些邏輯門，而即使當(dāng)今最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)也只有50個(gè)量子比特。而你的電子設(shè)備中，經(jīng)典比特的數(shù)量是以千億計(jì)。
麻煩在于，量子力學(xué)挑戰(zhàn)了我們的直覺。因此我們很難找出執(zhí)行量子計(jì)算的最佳算法。為了克服這些問題，我們?cè)诿绹逅拱⒗箛覍?shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種方法來發(fā)明和優(yōu)化算法，從而在有噪聲的量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行任務(wù)。
算法即是一系列有序的命令，可以告訴計(jì)算機(jī)怎么去做某件事情，類似于烹飪食譜。與經(jīng)典算法相比，量子算法與程序應(yīng)該越短越好，并且我們發(fā)現(xiàn)，量子程序最好是針對(duì)于硬件設(shè)備的特定缺陷和噪聲區(qū)域而定制。這才能使得該算法在退相干效應(yīng)將正確結(jié)果破壞之前，執(zhí)行更多的處理步驟。
在洛斯阿拉莫斯的量子計(jì)算跨學(xué)科研究工作中，我們正在努力解決使量子算法有效運(yùn)行的關(guān)鍵部分。其主要思想是減少算法中邏輯門的數(shù)量，從而使程序在被退相干和其他錯(cuò)誤源破壞到不可接受的地步之前執(zhí)行完程序。
我們使用機(jī)器學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)與編譯了針對(duì)于特定量子計(jì)算機(jī)的最佳量子電路。到目前為止，我們已在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來尋找最簡(jiǎn)潔的量子算法版本（量子算法的撰寫工作也是在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上做出來的）?，F(xiàn)在，在最近的一項(xiàng)突破中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種方法可以讓現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)去編寫適應(yīng)于自身的量子算法。這將避免在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中模擬量子動(dòng)力學(xué)所需的巨大計(jì)算資源。
由于這種方法產(chǎn)生的算法比目前最新的算法都要短，因此可以減少噪聲的影響。這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法還可以針對(duì)特定的算法和硬件平臺(tái)補(bǔ)償錯(cuò)誤。例如，如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)量子比特比另一個(gè)量子比特更能抵抗噪聲的干擾，這時(shí)算法將優(yōu)先使用那個(gè)更好的量子比特。然后，機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以自己創(chuàng)造算法，這樣我們使用最少的計(jì)算資源和最少的邏輯門就可以在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行任務(wù)。如此優(yōu)化后，更長(zhǎng)的算法就可以運(yùn)行了。
現(xiàn)在，這種特定配置的量子計(jì)算機(jī)已在云端上向公眾開放。公眾可以利用量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性能進(jìn)行創(chuàng)新研究，也可以為未來的大型量子計(jì)算機(jī)在解決大型現(xiàn)實(shí)問題上提供算法擴(kuò)展功能。
我們的工作已經(jīng)取得一定成果，未來將為專家和普通用戶提供量子計(jì)算工具。程序開發(fā)人員可以開始在這個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)上設(shè)計(jì)更好的程序，從而使其性能超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
撰文：斯科特·帕金（Scott Pakin）、帕特里克·科爾斯（Patrick Coles）
翻譯：安鈞鴻
文章來源：環(huán)球科學(xué)


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