IBM 與芝加哥大學展示量子計算系統有效減少錯誤率 10 倍

IBM 與芝加哥大學的研究人員展示了一個量子計算系統，該系統能夠執行計算上困難的任務，同時提供結果準確性的證據。這項實驗使用了經過錯誤修正的邏輯量子比特來運行一個複雜的量子電路，而傳統的模擬方法無法實際重現。IBM 的量子計算機在約 15 分鐘內完成了計算，而主流的傳統方法卻面臨著不可接受的運算時間。更重要的是，研究人員發現有效的邏輯錯誤率比物理錯誤率低了 10 倍，這意味著錯誤修正系統大幅減少了計算過程中硬件級錯誤的影響。

該結果解決了量子優勢示範中的一個主要問題。

量子計算的驗證挑戰

隨著量子計算變得過於困難，無法被傳統計算機重現，獨立檢查量子機器是否產生正確結果的工作也變得更加困難。研究人員傳統上使用一種稱為隨機電路抽樣的技術來測試量子計算機是否能夠執行超出傳統機器實際能力的計算。該方法生成了複雜的模式，使得傳統系統難以重現。然而，這裡存在一個問題。如果計算對傳統計算機來説過於困難，則也可能難以驗證量子計算機的輸出。IBM 和芝加哥大學的團隊採用了不同的電路設計，既保持了隨機電路抽樣的計算難度，又允許在計算過程中檢測錯誤。

芝加哥大學的副教授比爾·費費曼（Bill Fefferman）表示：「驗證仍然是堅定確立實驗性量子優勢的最大挑戰之一。這項實驗開發了更好地表徵在噪聲下困難量子態的保真度的技術，提高了人們對量子計算機解決計算上困難問題的信心。」此次實驗使用了 70 個邏輯量子比特，這些量子比特是物理量子比特的錯誤修正版本。團隊執行了 2,415 次邏輯兩量子比特操作和 468 次邏輯 T 門，創建了一個足夠複雜的電路，以挑戰傳統模擬方法。

研究人員表示，編碼電路的有效邏輯錯誤率比物理錯誤率低了 10 倍，這一改善使得系統在大量操作的情況下仍能保持高電路保真度。

量子優勢的實質意義

IBM 表示，這項實驗提供了統計信心，確保量子計算是忠實執行的，同時仍超出傳統計算機的實際範疇。IBM 研究總監、IBM Fellow 傑伊·甘貝塔（Jay Gambetta）表示：「我們現在已經堅定地進入量子優勢時代。我們已經展示了一項超越傳統計算機實際能力的量子計算，並以統計信心確立了其執行的下限。」這一區別對於實用量子計算機的發展至關重要。證明量子機器能夠超越傳統系統僅僅是挑戰的一部分，研究人員還需要確定隨著量子硬件變得越來越大和複雜，機器的輸出是否值得信賴。

芝加哥大學費費曼教授的博士生索米克·戈什（Soumik Ghosh）表示，更好的驗證可以促進未來量子計算機的實用應用。「除了加強實驗驗證外，驗證的進展還有潛力為下一代量子計算機解鎖實用應用。」研究人員通過 IBM 的量子優勢追蹤器發布了電路和結果，使這項工作可以與其他量子優勢示範進行比較。該研究《具有可驗證高保真度的困難電路抽樣》已發表於《物理評論 X》。

量子計算如何突破傳統計算限制

IBM 與芝加哥大學的合作展示了量子計算在解決傳統計算機無法處理的問題上的潛力。隨著量子計算技術的發展，驗證其結果的可靠性成為一大挑戰。這項研究不僅證明了量子計算的有效性，還強調了錯誤修正技術的重要性，這對於未來量子計算機的實用性至關重要。隨著量子硬件的複雜性增加，如何確保其輸出結果的可信度將成為進一步推動量子計算應用的關鍵因素。