量子计算的重大突破？IBM称攻克了“不可靠”难题

量子计算的重大突破？IBM称攻克了“不可靠”难题需要说明的是，传统计算机的基本二进制单位是0和1，要么是0，要么就是1。但是在量子计算中，它的基本计量单位量子比特既可以是0，也可以是1，还可以既是0也是1，这种现象被称之为量子的叠加态。量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。因此，它们可以在处理复杂任务时，快速存储大量数据，探索多种可能并选择最有效的解决途径。但是，由于保持量子比特的叠加态是件非常困难的事，最微小的环境变化(振动、电场、磁场、宇宙辐射)也可能导致叠加态的坍缩，造成计算错误。所以，目前世界上还没能造出一台没有误差、且用途广泛的量子计算机。周三，IBM研究人员宣布，他们已经设计出一种方法来管理量子计算的不可靠性，从而得出可靠、有用的答案。IBM科学家已经把研究论文发表在了《自然》杂志上，题为《容错前的量子计算实用性证据》。容错量子计算指的是有量子纠错保护的量子计算。IBM发表的论文2019年，Google的研究人员曾声称他们已经实现了“量子霸权”，也就是量子计算拥有的计算能力超越所有经典计算机。但是，IBM当时就抨击了Google，认为Google夸大了量子计算的性能，误导公众。周三，IBM的研究人员表示，他们已经找到了一些新的、更有用的方法，尽管名字更低调。“我们正在进入一个被我称之为‘实用性’的量子计算阶段，”IBM量子业务副总裁杰伊·甘贝塔(JayGambetta)说，“实用的时代。”耶路撒冷希伯来大学计算机科学教授多里特·阿哈罗诺夫(DoritAharonov)没有参与这项研究，他对此表示：“IBM在这里展示的东西，确实是朝着严肃量子算法设计取得进展的方向，迈出了重要一步，令人惊讶。”如何降低误差？在这项新研究中，IBM的研究人员执行了一项不同的任务，该任务引起了物理学家的兴趣。他们使用一个拥有127个量子比特的量子处理器来模拟127个原子尺度的磁铁棒在磁场中的行为。这些磁铁棒小到足以被量子力学的奇特规则所控制。这是一个简单的系统，被称为伊辛模型(Isingmodel)，它经常被用来研究物质的铁磁性。IBM在实验中使用的量子处理器这个问题过于复杂，即使在最大最快的超级计算机上也无法计算出精确的答案。但是在量子计算机上，计算只需不到千分之一秒就能完成。不过，每次量子计算都是不可靠的，因为量子噪声(指任何单色光都存在的涨落)的波动不可避免地会对计算进行干扰并引起误差，但每次计算都很快，因此可以重复执行。实际上，在许多计算中，研究人员故意添加了额外的噪声，使得答案更加不可靠。但通过改变噪声的数量，研究人员可以推断出噪声的具体特征以及它在每个计算步骤中的影响。“我们可以非常精确地放大噪声，然后我们可以重新运行相同的电路，”IBM量子能力和演示经理、《自然》论文的作者之一阿比纳夫·坎达拉(AbhinavKandala)表示，“一旦我们得到了这些不同噪音水平的结果，我们就可以推断出在没有噪声情况下的结果。”从本质上讲，研究人员能够从不可靠的量子计算中去除噪声的影响，这一过程被他们称之为“误差缓解”。“你必须通过发明非常巧妙的方法来减轻噪声的影响，从而绕过噪声，”阿哈罗诺夫博士说道，“这正是他们所做的。”准确性如何？为了得出127个磁铁棒产生的总体磁化强度的答案，IBM的量子计算机总共进行了60万次计算。答案的准确度怎么样？为了寻求帮助，IBM团队找到了加州大学伯克利分校的物理学家。尽管具有127个磁铁棒的伊辛模型太大，有太多可能的配置，无法适用于传统的计算机，但经典计算机算法可以产生近似的答案。这种技术类似于JPEG图像压缩时丢弃不太重要的数据以减小文件大小，同时保留图像的大部分细节。IBM量子计算研究人员加州大学伯克利分校的物理学教授、《自然》杂志论文的作者之一迈克尔·扎勒特尔(MichaelZaletel)说，当他开始与IBM合作时，他认为他的经典计算机算法会比量子算法做得更好。“结果和我预期的有点不同。”扎勒特尔博士说。结果显示，量子计算机可以对伊辛模型的某些配置精确求解。在更简单的例子上，经典算法和量子算法的答案一致。对于更复杂但可解的实例，量子算法和经典算法产生了不同的答案，但量子算法给出的是正确答案。IBM量子实验研究实验室加州大学伯克利分校的研究生萨扬特·阿南德(SajantAnand)在经典近似研究上做了大量工作，他根据上述实验结果认为，对于量子计算和经典计算的结果不一致而且不知道精确解的其他情况，“有理由相信量子计算的结果更精确”。目前还不清楚量子计算是否能够在伊辛模型中无可争议地胜过经典计算。阿南德目前正试图为经典算法增加一个降低误差的版本，它有可能达到或超过量子计算的性能。“没有明显的迹象表明他们在这里实现了量子霸权。”扎勒特尔说。临时解决方案从长远来看，量子科学家预计另外一种不同的方法，即纠错，能够检测和纠正计算错误，这将为量子计算机的许多用途打开大门。目前，纠错方法已经在传统计算机和数据传输中被用于修复错误。但对于量子计算机来说，纠错可能还需要几年的时间，需要更好的处理器来处理更多的量子比特。IBM的科学家们认为，误差缓解是一种临时解决方案，现在可以用于解决伊辛模型之外日益复杂的问题。“这是现有最简单的自然科学问题之一，”甘贝塔博士说，“所以这是一个很好的开始。但现在的问题是，你如何推广它，去解决更有趣的自然科学问题？”这些问题可能包括弄清楚异域材料的性质，加速药物发现和模拟聚变反应。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365325.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365325.htm

DeepMind攻克50年数学难题 史上最快矩阵乘法算法登Nature封面

DeepMind攻克50年数学难题史上最快矩阵乘法算法登Nature封面DeepMind碾压人类高手的AI围棋大师AlphaZero，下一个目标是数学算法！现已发现50年以来最快的矩阵乘法算法。下围棋碾压人类的AlphaZero，开始搞数学算法了，先从矩阵乘法开始！PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1324285.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1324285.htm

Nature封面：量子计算机离实际应用还有两年

Nature封面：量子计算机离实际应用还有两年搭载“鹰”芯片的量子计算机这种障碍叫做“量子噪声”，会导致计算结果出现错误。研究团队对处理器中的每一个量子比特的噪声逐一进行测量，推测出了零噪声情况下系统的状态。根据观察和推测结果，团队研发出了全新的“误差缓解”技术。利用这种技术，团队在127量子比特的鹰处理器上成功进行了一次复杂运算。IBM量子研发部门高级主管SarahSheldon表示，我们可以开始设想用量子计算机解决一些此前无解的问题。相关论文已经在最新一期的Nature中发表，并登上封面。最新一期的NaturePodcast当中也介绍了这一研究成果。节目当中主持人评价IBM在量子计算不被看好的情况下做出的这一举动“十分勇敢”但也“拥有确凿证据”。而今年晚些时候，IBM还将发布1121量子比特的秃鹰（Condor）芯片。消灭不掉噪声，就抵消它由于量子纠缠效应的存在，量子不只有0和1两种存在方式，还有它们的叠加态。这使得量子运算的效率从理论上看显著高于传统的只有0和1两种状态的计算机。但实际上，量子计算机并未投入实际应用。原因有点无语——量子运算虽然快，但是错误率也很高。而出错背后的罪魁祸首，就是量子噪声。根据海森堡测不准原理，环境中无时无刻不充满波动的能量，哪怕温度低到绝对零度，也无法消除。量子永不停息的波动导致了它们之间彼此的拥挤、碰撞，这就是量子噪声的来源。对于单个量子，噪声带来的误差可能并不高（低于1%）。但量子计算机是由大量量子组成的复杂系统，各量子产生的误差叠加之后就变得不可忽视了。除了要解决量子噪声问题，IBM认为，还需保证量子处理器具有一定的规模和运算速度。消除量子噪声的过程称为量子纠错，方法是用更多的量子比特来描述一个量子比特，以便有错误时可以纠正。但这一思路的缺陷明显——我们根本无法操控如此之多的量子比特。因此，对于量子噪声，现在普遍采用的处理方式是抵消其影响，而非直接消除。传统的抵消方式是对误差信息实时监测并建立抵消算法，但随着量子比特数的增多，也出现了性能瓶颈。IBM团队研发了一种全新的抵消方式，绕开了这一瓶颈的限制。这种方式的核心是两种关键技术：脉冲拉伸（PulseStretching）和零噪声外推（ZeroNoiseExtrapolation）。脉冲拉伸是通过延长每个量子比特的操作时间，使量子误差被放大，更加有利于观测。这一过程中，IBM采用了物理学上常用的伊辛模型（Isingmodel）。其最基本的假设是相互作用只在最近邻的自旋之间存在。具体到这一项目，量子比特的排列方式是设定模型点阵排列方式的依据。尽管排列方式一致，伊辛模型却是独立于处理器硬件存在的。零噪声外推则是根据采集到的放大不同比例后的误差信息（采集量远低于传统方式），建立函数模型。根据函数模型外推出零点值，即为没有误差存在时的运算结果。尽管仍存在一定的局限性，但经过这种方式抵消一些误差后的量子处理器已经可以进行一些运算操作。IBM团队将其成果送到了加州大学伯克利分校进行效果测评，和他们的超级计算机进行比较。结果显示，鹰芯片驱动的量子计算机的计算结果与真实值的接近程度远高于传统计算机。不过，IBM的研究人员指出，采用这种抵消方式消除噪声影响只是一种短期策略。IBM也在逐步扩大其处理器所包含的量子比特数量。据研究人员预计，到2033年将制造出超过10万量子比特的处理器，届时量子误差将得到根源性的解决。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365823.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365823.htm

IBM公布具有433个量子比特的Osprey量子计算机

IBM公布具有433个量子比特的Osprey量子计算机"新的433量子比特'Osprey'处理器使我们离量子计算机用于解决以前无法解决的问题更近了一步，"IBM高级副总裁兼研究部主任达里奥-吉尔说。"我们正在不断扩大和推进我们的量子技术，包括硬件、软件和经典集成，与我们的合作伙伴和世界各地的客户一起迎接我们时代的最大挑战。这项工作将证明对即将到来的以量子为中心的超级计算时代具有基础意义。"IBM的量子路线图包括另外两个阶段--2023年和2024年的1121量子比特的Condor和1386量子比特的Flamingo处理器--然后它计划在2025年用其Kookaburra处理器进入4000量子比特阶段。到目前为止，该公司总体上能够实现这一路线图，但量子处理器中的量子比特数量显然只是一个非常大而复杂的难题的一部分，更长的相干时间和减少噪音也同样重要。理想情况下，想要使用这些机器的开发者不必担心这个问题，所以他们使用的工具越来越多地为他们抽象出硬件问题。例如，通过新版本的QiskitRuntime，开发者现在可以用速度换取更少的错误数。该公司今天还详细介绍了其QuantumSystemTwo，可以被看成是对外服务的IBM量子主机，它将能够容纳多个量子处理器，并将它们与高速通信链接整合到一个系统中，预计IBM将于2023年底前推出这个系统。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332303.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332303.htm