劃重點
01谷歌在Nature上發(fā)表了一項關(guān)于低噪聲“相變”處理器的最新研究，展示了量子計算機在特定任務(wù)上展現(xiàn)獨特優(yōu)勢的可能性。
02研究團隊使用了名為Sycamore的量子處理器，發(fā)現(xiàn)當噪聲降低到特定閾值以下時，傳統(tǒng)計算機實際上無法進行模擬。
03由于量子計算機與傳統(tǒng)計算機的計算方式不同，其未來有望完成傳統(tǒng)計算機無法實現(xiàn)的任務(wù)，如精確模擬化學(xué)反應(yīng)。
04然而，量子計算機目前仍無法取代傳統(tǒng)計算機，Sycamore處理器無法執(zhí)行常規(guī)計算機的典型操作。
05未來，研究人員希望建造出足夠大且?guī)缀鯚o錯誤的量子計算機，從而徹底超越當前的量子 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 年代初量子計算機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)計算機難以應(yīng)對的難題。
得益于基礎(chǔ)理論、技術(shù)和材料的進步，在過去五年中，量子計算機終于開始朝這個目標邁出了實質(zhì)性的步伐。
近日，谷歌在 Nature 上發(fā)表的一項最新研究，展示了他們在量子計算領(lǐng)域取得的新進展，為傳統(tǒng)計算機和量子計算機之間的競賽開啟了新的篇章。
研究團隊使用了名為 Sycamore 的量子處理器進行了深入研究，重點探索了量子計算機在何種條件下能夠超越傳統(tǒng)（經(jīng)典）計算機。
圖 | 谷歌 Sycamore 處理器（來源：Nature）
谷歌量子計算項目負責人塞爾吉奧博伊索（Sergio Boixo）對媒體表示，量子計算機并非單純比傳統(tǒng)計算機更快，而是完全不同的計算方式。
這種差異使其未來有望完成傳統(tǒng)計算機無法實現(xiàn)的任務(wù)，比如精確模擬化學(xué)反應(yīng)。
在這項研究中，研究人員主要關(guān)注了量子隨機電路采樣這一基準測試。
這個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)果的隨機性。
當引入足夠多的量子比特時，在傳統(tǒng)硬件上模擬量子隨機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現(xiàn)“量子優(yōu)勢”（Quantum Supremacy）的基矗
研究團隊在長期實驗中發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵的“相變點”，它標志著系統(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)超級計算機仍可以模仿量子計算機的運算。
但當噪聲降低到特定閾值以下時，Sycamore 處理器的計算復(fù)雜度會達到一個程度，使得傳統(tǒng)計算機實際上無法進行模擬。
據(jù)估計，即使是世界上最快的超級計算機也需要長達數(shù)萬億年的時間。
這一發(fā)現(xiàn)得到了量子計算領(lǐng)域?qū)＜业恼J可，美國集成量子計算公司 Quantinuum 的量子計算研究員邁克爾福斯-費格（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電路采樣中的許多已知問題。
博伊索將量子隨機電路的運行比作一場競賽，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)系決定了量子計算機的性能界限。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院的量子物理學(xué)家陸朝陽認為，“量子計算機與傳統(tǒng)計算機之間的持續(xù)競爭推動了該領(lǐng)域的發(fā)展，促使研究人員不斷建造更大、更高質(zhì)量的量子計算機。這種競爭關(guān)系也幫助我們更好地理解量子計算機的局限性和潛力。”
值得注意的是，即便在低噪聲狀態(tài)下，量子計算系統(tǒng)仍然可能出現(xiàn)錯誤。每次操作都存在出錯的可能性，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測試，來評估系統(tǒng)的整體保真度。當錯誤率超過臨界點時，它們會迅速中斷糾纏過程，這往往會形成兩個較小的獨立糾纏系統(tǒng)。
他們通過創(chuàng)建兩個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 年曾宣稱實現(xiàn)了“量子優(yōu)勢”，聲稱其 53 量子比特計算機在 200 秒內(nèi)完成的運算需要傳統(tǒng)超級計算機運行 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大的傳統(tǒng)計算機在一分多鐘內(nèi)就完成了相同的運算，用行動推翻了谷歌當時的說法。這些挑戰(zhàn)推動谷歌進行了更深入的研究，最終導(dǎo)致了此次突破性發(fā)現(xiàn)。
目前，量子計算機還無法取代傳統(tǒng)計算機。Sycamore 處理器無法執(zhí)行常規(guī)計算機的典型操作，如存儲照片或發(fā)送電子郵件。
但這項研究表明，在特定任務(wù)上，量子計算機已經(jīng)開始展現(xiàn)其獨特優(yōu)勢。
為了降低溫度波動帶來的干擾，這種芯片需要在接近絕對零度的超低溫環(huán)境下運行。
與傳統(tǒng)計算機使用的經(jīng)典比特（只能是 0 或 1）不同，量子計算機依賴于量子比特，這使得它能夠以指數(shù)級更少的比特數(shù)量完成某些任務(wù)。
例如，在運行量子隨機電路算法時，傳統(tǒng)計算機需要 1024 個比特，而量子計算機只需要 10 個量子比特。
這項研究的深遠意義不僅在于證明量子隨機電路的性能，更在于它為整個量子計算領(lǐng)域提供了新的發(fā)展方向。
博伊索強調(diào)，如果在這個最簡單的基準測試上無法取得優(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單一處理器設(shè)計，而不是像其他競爭對手那樣急于增加量子比特數(shù)量。
此外，研究團隊還發(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)對于理解和改進量子計算機的性能來說至關(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。一旦運行 67 個量子比特的 Sycamore 升級版超過某個噪聲閾值，其隨機電路采樣輸出就無法再用經(jīng)典方法模擬。
隨著量子計算機的不斷發(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錯誤的量子計算機，從而徹底超越當前的量子 VS 經(jīng)典之爭。
但在那一天到來之前，這種競爭將繼續(xù)推動整個領(lǐng)域的進步。
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
運營/排版：何晨龍
