量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展瓶頸

Sora

到目前為止，量子計(jì)算在大多數(shù)人眼中是一種革命性的技術(shù)。它利用了量子力學(xué)的奇特特征，比普通計(jì)算機(jī)更快地解決某些問(wèn)題。這些問(wèn)題包羅萬(wàn)象，涵蓋從數(shù)學(xué)世界到零售業(yè)，從物理到金融。如果人們可以正確使用量子計(jì)算，它所提供的益處可以提升經(jīng)濟(jì)實(shí)力并增強(qiáng)美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)狀堪憂

量子計(jì)算的前景在20世紀(jì)80年代首次得到認(rèn)可，但直到現(xiàn)在仍未完全實(shí)現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和編程非常之難，這使得各類量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都因噪聲、故障和量子相干性損失（也叫退相干）而癱瘓。

由振動(dòng)、溫度波動(dòng)、電磁波以及外部環(huán)境的其他相互作用引起的這種相干性損失，最終破壞了計(jì)算機(jī)的奇異量子特性。鑒于目前普遍存在的退相干和其他錯(cuò)誤，當(dāng)代量子計(jì)算機(jī)不太可能為執(zhí)行時(shí)間極短的程序輸出正確答案。

雖然一代代更新的技術(shù)和架構(gòu)希望解決這些問(wèn)題，但現(xiàn)有的硬件平臺(tái)仍然不能保持相干一致性，并提供大規(guī)模計(jì)算所需的強(qiáng)大糾錯(cuò)能力。

與此同時(shí)，現(xiàn)在這個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的問(wèn)題是，人們?nèi)绾螐囊慌_(tái)在完成常規(guī)計(jì)算之前就變得不可靠的計(jì)算機(jī)中，獲得有用的結(jié)果呢？

工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，都正在尋求減少計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤的方法。一種方法是基于目前所具有的在各種噪聲水平下的計(jì)算結(jié)果，來(lái)推測(cè)無(wú)差錯(cuò)計(jì)算時(shí)量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)。一種方法則完全不同，它采用量子經(jīng)典混合算法，只運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)程序中性能起決定性作用的部分，而其余大部分程序運(yùn)行在更穩(wěn)定的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上。事實(shí)證明，這些策略對(duì)處理量子計(jì)算機(jī)的嘈雜運(yùn)行環(huán)境非常有用。

雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)也會(huì)受到各種錯(cuò)誤源的影響，但這些錯(cuò)誤可以通過(guò)適量的額外存儲(chǔ)和邏輯卷來(lái)糾正。量子誤差校正方案確實(shí)存在，但會(huì)消耗大量的量子比特，只有相對(duì)較少的量子比特保留下來(lái)用于實(shí)際計(jì)算。

謹(jǐn)慎消耗量子比特很重要?，F(xiàn)在最先進(jìn)的基于“量子邏輯門”的量子計(jì)算機(jī)，只會(huì)消耗50個(gè)量子比特。

克服缺陷

量子力學(xué)挑戰(zhàn)了人們的直覺(jué)。人們很難找出執(zhí)行有意義任務(wù)的最佳算法。為了克服這些問(wèn)題，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)正在研究一種新方法，來(lái)創(chuàng)造和優(yōu)化在嘈雜的量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行有用任務(wù)的算法。

量子誤差校正方案確實(shí)存在，但會(huì)消耗大量的量子比特。

這項(xiàng)研究的主要思想是，在退相干之前減少嘗試完成執(zhí)行的門數(shù)，這樣其他錯(cuò)誤源出現(xiàn)的可能性就有可能大幅降低。

研究團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)，將量子電路轉(zhuǎn)換或編譯成專屬于特定量子計(jì)算機(jī)的最佳等效電路。在最近的一次突破中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法，采用這種方法，可以產(chǎn)生比利用現(xiàn)有技術(shù)所寫出的方法更短的算法，它們因此減少了噪聲的干擾。

這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，還可以利用特定算法和硬件平臺(tái)，對(duì)運(yùn)算錯(cuò)誤進(jìn)行糾偏。例如，它可能會(huì)發(fā)現(xiàn)某個(gè)量子比特比另一個(gè)量子比特噪聲小，從而優(yōu)先使用質(zhì)量更高的量子比特。在這種情況下，機(jī)器學(xué)習(xí)可使用最少的計(jì)算資源和最少的邏輯門創(chuàng)建一種通用算法，來(lái)計(jì)算該計(jì)算機(jī)上分配到的任務(wù)。經(jīng)過(guò)這樣的優(yōu)化，算法將能在更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

這種方法可以在量子計(jì)算機(jī)上受限制的設(shè)置狀態(tài)下運(yùn)行，現(xiàn)在也已登陸云端，可供公眾使用。它還利用量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越能力，進(jìn)一步拓展算法規(guī)模，大型量子計(jì)算機(jī)也可以用它來(lái)解決更大規(guī)模的問(wèn)題。

量子算法領(lǐng)域的新工作成果，將為專家和非專家提供新的工具。應(yīng)用程序開發(fā)人員可以利用量子計(jì)算的潛力來(lái)加快程序執(zhí)行速度，從而超出傳統(tǒng)計(jì)算的限制。

這些進(jìn)步可能會(huì)讓人們獲得更加強(qiáng)大、可靠的大型量子計(jì)算機(jī)，以解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題—計(jì)算這些問(wèn)題時(shí)，哪怕速度最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)行到崩潰，也得不到結(jié)果。