IBM首次運用量子電腦解決了經典電腦無法解決的問題。這一成就標誌著實用量子計算系統與軟體發展旅途已經迎來重要里程碑。
IBM在《自然》雜誌上發表論文，稱量子計算技術已經迎來重大突破，解決了領先超級電腦無法以近似方法解決的複雜問題。這一成就有望幫助跨學科科學家們以量子計算系統為武器，逐步攻克化學、材料科學、AI等領域的棘手難題。當然，藍色巨人的探索同樣充滿挑戰，包括如何在比宇宙深空更加寒冷的溫度下運行極易出錯的量子比特，並通過經典超級電腦模擬實現結果檢驗。
圖中如「吊燈」般的裝置在冷卻完成後，其溫度甚至比宇宙深空還要低，只有這樣才能令底部的超導晶片進入量子態。
IBM希望通過測試，證明擁有127量子比特的Eagle量子電腦確實能為經典算力難以攻克的問題帶來轉機。但要達成這個目標，他們需要首先解決兩個核心難題。第一，他們需要從充斥噪聲且極易出錯的量子電腦中獲取準確結果；第二，面對這樣一個從未在量子電腦上成功運行的大模型，如何確定結果正確可信？
IBM解決的是什麼問題？
在討論IBM如何解決上述障礙之前，我們先從此次選定的攻堅問題入手。IBM模擬的是伊辛模型，這是一種「對鐵磁性的數學描述，由離散變量組成，這些變量表示原子「自旋」的磁偶極矩，可處於 1或-1這兩種狀態之一。」IBM的研究人員希望計算出這個系統的平均磁化強度。如此複雜且相互關聯的問題非常適合交由量子電腦解決，因為它能有效與量子電腦中的量子比特相映射。伊辛模型已被用於研究各種物理現象，包括鐵磁性、反鐵磁性、液氣相變和蛋白質摺疊等。該模型在電腦科學領域也有應用，包括研究優化和機器學習等問題。
IBM解釋稱，「雖然這個問題憑藉其變量動態和廣泛的潛在應用場景而高度匹配量子計算，但由於現有量子電腦極易出錯且充斥噪聲，此前一直無法得到切實解決。」
錯誤緩解技術前來助陣
回到討論主線。IBM運用錯誤緩解技術克服了噪聲問題。簡單來講，對量子計算過程進行直接糾錯目前尚不可行。傳統電腦在受到宇宙粒子撞擊時，「0」有10-27 的的概率突變成「1」。雖然這樣的概率幾乎與零無異，但傳統電腦仍會使用循環冗餘代碼以檢測並糾正此類錯誤，確保銀行賬單等關鍵用例不受偶發事件的影響。
但在量子電腦中，這種概率會增長100萬億倍，達到10-4。這就要求我們必須投入大部分量子算力進行查錯和糾錯！
IBM並沒有使用糾錯機制，而是選擇零噪聲外推（ZNE）來減少偏差。具體方法是將噪聲分別增加20%和60%，然後外推回零噪聲時的預期值。
通過測量更多感應噪聲的影響，即可推斷回零噪聲狀態。應用ZNE能夠顯著提高質量指標，從~.08優化至近乎完美的（1.0）。
IBM研究院量子能力與展示經理Abhinav Kandala博士指出，「我們之所以能夠做到這一點，是因為我們構建起一套在規模和質量上都前所未有的量子系統，並在這個大規模量子系統上開發出操縱噪聲的能力。」
如何驗證結果是否正確？
IBM在加州大學伯克利分校招募了經典計算方法專家，共同解決這些問題。研究團隊同時在蘿倫斯伯克利國家實驗室和普渡 大學的經典超級電腦上運行這個問題。在較低複雜度下，量子結果與通過蠻力模擬的具體計算答案成功匹配。
IBM Quantum System 1能夠在5分多鐘的運行時間內生成估算結果。
量子霸權？不，是量子效用
隨著模型難度的增加，經典方法逐漸力有不逮。最終，該模型超越了蠻力模擬方法的極限，而量子方法與經典計算結果間的近似性也讓研究人員砍，量子電腦給出的答案準確可信。這當然要歸功於更先進的新型錯誤緩解技術。雖然IBM無法在如此複雜的水平上驗證各項結果，但較低級別結果的良好匹配讓他們有理由相信新結果同樣正確無誤。IBM在《自然》雜誌論文的相關博文中表示，「我們雖然無法證明量子答案比最先進的經典計算結果更加正確，但量子電腦在解決這類問題時能提供超越經典電腦的價值這一結論，正在獲得越來越高的置信度。」
那這是不是傳說中的「量子霸權」，即量子系統解決了任何經典計算系統都無法解決的問題？IBM補充稱，「這還不足以證明量子電腦比經典計算系統更好。根據設想，我們認為未來這兩種範式將繼續不斷改進，各自解決最適合自己特性的問題。但此次實驗確實表明，我們能夠以有價值的方式使用現有量子電腦，解決經典電腦難以攻克的問題。」
也就是說，如果經典計算架構未來能在軟體和硬體領域突破邊界，那麼量子計算將為其計算結果提供驗證支持。所以IBM將此次成果歸納為「量子效用」：已經可以解決現實世界中的問題，無論經典電腦能否給出同樣的結果。
IBM的量子電腦。
下一步該走向何方？
儘管IBM科學家對於推斷結果仍持謹慎態度，但其創新路徑已經相當明確。根據IBM及其生態系統在過去6年間取得的成就來看，藍色巨人預計很快就能解決「100量子比特乘100門深度電路」的問題，並在未來10年內打造出擁有10萬量子比特的計算系統。
總結
如今，IBM已經證明充滿噪聲的量子電腦也能產生準確的結果，並解決經典近似計算難以處理的複雜問題。儘管相較於「量子霸權」範圍更窄，但IBM已經跨過了「量子效用」的門檻。
這段已經持續幾十年的探索之旅還將繼續，帶來我們當初難以想像的見解和知識。IBM也將不懈努力，達成路線圖中關於量子系統規模、質量和速度的一個個提升目標。
