IBM參與量子霸權競賽：來自Q Experience的幫助

隨著IBM的Q Experience達到新的里程碑，我們距離實現量子計算機的真正潛力還有多遠？

要構建量子計算機，需要比星際空間更冷的溫度，在運行演算法時保持薛定諤貓的死亡和活著的能力，以及蒸汽朋克自助洗衣店的美學。

谷歌，IBM以及少數幾家初創公司都沒有被這些要求嚇退。他們目前正處於當今最緊張的技術競賽之一：實現「量子霸權」的競賽，或者說是量子計算機超越「經典」計算機的能力。

然而，對這一領域感興趣的並不僅僅只有相關公司的一小部分數學專家。兩年前，IBM決定通過雲提供Q Experience量子計算機；今年3月，它已有超過75,000名用戶。

這個新興的量子社區共同進行了超過280萬次實驗，最終宣布接受50篇學術論文發表。IBM研究所的Q戰略和生態系統副總裁Bob Sutor表示，他們的投入是成功的關鍵。「由第三方完成的大量工作為我們提供了靈感，從而幫助優化提交的計算以及安排工作的方式。任何機器的使用都可以為我們提供寶貴的運營數據，然後我們可以使用這些數據來改進設備或構建下一代設備。」

變得「怪異」

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如果量子計算機已經啟動並運行，為什麼他們沒有超過目前的經典計算機？回答這個問題，有助於重新審視量子計算機的工作方式。

雖然經典計算的構建塊是使用二進位代碼的0和1「比特」，但量子計算機使用「量子比特」來利用兩態量子力學系統(two-state quantum-mechanical systems)：量子粒子的「怪異」能力「疊加」；同一時間存在兩個不同態。

比如，畫一個地球儀：如果比特可以在兩個極點之間切換，那麼量子比特就更具冒險性：它們可以同時位於地圖的極點和任何地方。

正如IBM研究所的Edwin Pednault所說：「量子比特可以同時代表0和1。事實上，量子比特可以以0和1的加權組合形式出現；例如，37％的0，63％的1。3個量子比特可以同時表示23或八個值：000，001，010，011，100，101，110，111。50個量子比特可以同時代表超過一個百萬之四次方的值。」

保持低溫

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理論上，是因為量子計算機也可以處理多個值。同時，這使得量子計算機比任何超級計算機都強大得多，例如，通過快速評估分子、蛋白質和化學物質之間複雜的相互作用來解決疾病的潛力。

圖片來自：IBM

IBM的「傳輸線分流等離子體振蕩」(傳輸)量子比特是敏感的事情：計算需要在計算周期內保持疊加，但很容易被雜訊干擾。要達到應對這一挑戰需要的溫度很有難度。

Bob Sutor描述了這樣的設置：「用於配置和編程量子計算機的信號來自機器外部，沿著同軸電纜向下傳播，在那裡它們被放大和過濾，並最終到達量子器件，其量子比特的溫度為0.015K（-273.135℃）。」

「結果以同樣的方式返回。我們通過盡量減少晶元和電纜對各種形式的熱和電磁輻射的暴露來降低雜訊，通過最大限度地減少設備缺陷，不斷改進電子性能，並通過使用新穎的數學方案進行補償。」

一個全新的範例

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然而，錯誤難以避免，編程仍然是一場試驗案例。正如Bob Sutor所說：「量子理論已經建立了很長時間。我們理解很多演算法，並且我們每天都在學習更多有關構建硬體和軟體的知識。我們不完全了解的是，如何將量子計算擴展到數百個以及數千個互連的低錯誤率量子比特。」

IBM希望通過擴大對Q Experience的使用，更深入地了解相關技術。因為現有的教育無法為量子計算機編程做好準備。為此，IBM在2017年初在2016年5月最初上線的5量子比特機器中添加了一台16量子比特機器，其中包含一個可視程序創建器、視頻、新聞以及開始學習所需的所有說明。

打開量子門

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Bob Sutor解釋了這個區別：「對於傳統的計算機，我們在最底層使用ANDs和ORs和NOTs和XORs ——也就是二進位門。從這些當中我們建立更高層次的指令，然後支持Java，Python和Swift等語言。

圖片來自：IBM

「對於量子計算機，我們使用不同類型的門，如CNOT和Hadamards。從那裡我們構建了更複雜的指令和演算法。我們提供了IBM Q Experience，以便人們有時間適應全新的範例。然後，他們可以用另一種新的方式（以前的計算機教育無法實現的方式）來思考新演算法。」

挑戰與魔法

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「任何足夠先進的技術都與魔法無法區分開來」。這或許正是對量子計算最恰當的描述。儘管面臨挑戰，Bob Sutor對於在機器上鑄造更好的「魔法」感到樂觀。去年年初，IBM引入了「量子體積」的概念，這是一個連接量子比特數、錯誤率和連貫時間的公式——在量子比特上運行操作的時間量。

該公司表示，現在處於「量子準備」階段：推進硬體和軟體，開發新演算法，以及查看哪些應用領域是第一個可能顯示量子計算優勢的應用領域。

在21世紀20年代初期，IBM希望進入「量子優勢」階段，對於特定的應用，這意味著Q Experience可以為傳統機器做一些當前不可能，速度太慢或者內存密集的事情。

但IBM和競爭對手一樣，正在對沖它的賭注。

正如Bob Sutor所說：「雖然我們推進了量子計算機的工作，但也可能會在經典演算法上取得突破。因此我們對任何時間表都沒有任何承諾。事實上，我們預計最有前途的演算法將會是混合量子經典演算法。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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