科學探索：量子計算機的瓶頸，將如何突破？

在物理學中，時間是一個有爭議的話題。到目前為止，大多數人已經聽說過量子計算是一項革命性的技術，它的原理是利用量子的新奇特性，以比普通計算機更快的速度解決特定的問題（比如大數分解）。這些問題在許多領域都存在，從數學到零售業，從物理學到金融學，無處不在。一旦某個國家擁有了這樣的量子技術，國家整體的經濟實力將得到明顯提升，競爭力也會隨之增強。
20世紀80年代，量子計算的廣闊前景開始被科學家意識到，但至今仍未真正實現。量子計算機的設計、製造和編程都非常困難，因為噪聲、錯誤以及各種量子退相幹效應都會影響量子計算機的性能，甚至會對量子計算機的運行產生致命影響。
由振動、溫度漲落、電磁波和其他與外界環境相互作用引起的相幹性的喪失叫做退相幹，這種效應會破壞量子特性。考慮到目前普遍存在的退相幹和其他影響因素，即使在執行時間很短的情況下，現代量子計算機也不太可能具有太大的實用性。
盡管科學家正在解決這些問題，但還沒有一個現有的硬件平台能夠保持相幹性並提供大規模計算所需的穩定糾錯能力。有價值的突破或許還要等待很多年才能出現。
與此同時，一個價值數十億美元的問題是，在完成真正的量子計算機之前，我們如何從一台不可靠的量子計算機中獲得有用的結果？
答案來自多個方麵，工業界、學術界和國家實驗室的研究人員正在尋求減少量子計算機錯誤的方法。其中一種方法是根據不同噪聲水平下的計算結果來估計無錯誤的計算結果。另一種方法是混合量子經典算法，隻在量子計算機上運行一個程序中最關鍵的部分，而其他大部分的程序則在更穩定的經典計算機上運行。事實證明，這些方案對於消除噪聲環境對量子計算機的影響都非常有用。
雖然經典計算機也受到各種錯誤源的影響，但這些錯誤可以通過適量的額外存儲和邏輯來糾正。量子糾錯方案確實存在，但它消耗了太多的量子比特，以至於可以用於實際計算的量子比特比用於糾錯的更少（這就好像軍隊在戰場上需要動員十個戰士去保護一個傷員一樣，損失了部隊的整體戰鬥力）。
為了更清楚地說明節約量子比特的重要性，我們要知道，基於量子比特邏輯門的量子計算機，類似於你讀這篇文章時所用的電腦、手機或平板電腦中的那些邏輯門，而即使當今最先進的量子計算機也隻有50個量子比特。而你的電子設備中，經典比特的數量是以千億計。
麻煩在於，量子力學挑戰了我們的直覺。因此我們很難找出執行量子計算的最佳算法。為了克服這些問題，我們在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的團隊正在開發一種方法來發明和優化算法，從而在有噪聲的量子計算機上執行任務。
算法即是一係列有序的命令，可以告訴計算機怎麽去做某件事情，類似於烹飪食譜。與經典算法相比，量子算法與程序應該越短越好，並且我們發現，量子程序最好是針對於硬件設備的特定缺陷和噪聲區域而定製。這才能使得該算法在退相幹效應將正確結果破壞之前，執行更多的處理步驟。
在洛斯阿拉莫斯的量子計算跨學科研究工作中，我們正在努力解決使量子算法有效運行的關鍵部分。其主要思想是減少算法中邏輯門的數量，從而使程序在被退相幹和其他錯誤源破壞到不可接受的地步之前執行完程序。
我們使用機器學習，設計與編譯了針對於特定量子計算機的最佳量子電路。到目前為止，我們已在經典計算機上使用機器學習方法來尋找最簡潔的量子算法版本（量子算法的撰寫工作也是在經典計算機上做出來的）。現在，在最近的一項突破中，我們設計了一種方法可以讓現有的量子計算機去編寫適應於自身的量子算法。這將避免在經典計算機中模擬量子動力學所需的巨大計算資源。
由於這種方法產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。這種機器學習方法還可以針對特定的算法和硬件平台補償錯誤。例如，如果發現一個量子比特比另一個量子比特更能抵抗噪聲的幹擾，這時算法將優先使用那個更好的量子比特。然後，機器學習方法可以自己創造算法，這樣我們使用最少的計算資源和最少的邏輯門就可以在量子計算機上執行任務。如此優化後，更長的算法就可以運行了。
現在，這種特定配置的量子計算機已在雲端上向公眾開放。公眾可以利用量子計算機的優越性能進行創新研究，也可以為未來的大型量子計算機在解決大型現實問題上提供算法擴展功能。
我們的工作已經取得一定成果，未來將為專家和普通用戶提供量子計算工具。程序開發人員可以開始在這個量子計算平台上設計更好的程序，從而使其性能超越傳統計算機。
撰文：斯科特·帕金（Scott Pakin）、帕特裏克·科爾斯（Patrick Coles）
翻譯：安鈞鴻
文章來源：環球科學


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