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今天的量子计算机在计算范围上很小——你的智能手机中的芯片包含数十亿个晶体管，而最强大的量子计算机包含几百个晶体管的量子当量。 他们也不可靠。 如果您一遍又一遍地进行相同的计算，他们很可能每次都会得出不同的答案。
但是，凭借其同时考虑多种可能性的内在能力，量子计算机不必非常大就可以解决某些棘手的计算问题，周三，IBM 研究人员宣布他们已经设计出一种方法来管理不可靠性，其方式如下：会导致可靠，有用的答案。
耶路撒冷希伯来大学计算机科学教授 Dorit Aharonov 说：“IBM 在这里展示的确实是朝着严肃的量子算法设计方向迈出的非常重要的一步。”他没有参与这项研究。
虽然谷歌的研究人员在 2019 年声称他们已经实现了“量子霸权”——这项任务在量子计算机上的执行速度比传统计算机快得多——但 IBM 的研究人员表示，他们已经取得了一些新的、更有用的东西，尽管名称更谦虚。
“我们正在进入我称之为效用的量子计算阶段，”IBM Quantum 副总裁 Jay Gambetta 说。 “实用时代。”
为 Gambetta 博士工作的 IBM 科学家团队在周三发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了他们的研究结果。
现代计算机被称为数字计算机或经典计算机，因为它们处理的信息位要么是 1，要么是 0，要么是开，要么是关。 量子计算机对捕获更复杂信息状态的量子位或量子位进行计算。 正如物理学家埃尔温·薛定谔的思想实验假设一只猫可能处于既死又活的量子状态一样，一个量子比特可以同时为 1 和 0。
这使得量子计算机可以一次性进行多项计算，而数字计算机则必须分别执行每项计算。 通过加速计算，量子计算机有可能解决当今无法企及的化学和材料科学等领域的大而复杂的问题。 量子计算机也可能有更黑暗的一面，它通过破坏密码和加密通信保护的算法来威胁隐私。
当谷歌研究人员在 2019 年宣布其至高无上地位时，他们表示他们的量子计算机在 3 分 20 秒内完成了一次计算，这在最先进的传统超级计算机上需要大约 10,000 年的时间。
但其他一些研究人员，包括 IBM 的研究人员，对这一说法不以为然，称这个问题是人为的。 “谷歌的实验令人印象深刻，它确实令人印象深刻，但它正在做一些对任何应用程序都没有兴趣的事情，”同时担任量子计算公司 Qedma 首席科学官的阿哈罗诺夫博士说。
谷歌的计算结果也没有最初出现时那么令人印象深刻。 一组中国研究人员能够在短短五分钟多的时间内在非量子超级计算机上执行相同的计算，远远快于谷歌团队估计的 10,000 年。
新研究中的 IBM 研究人员执行了一项不同的任务，这项任务引起了物理学家的兴趣。 他们使用具有 127 个量子位的量子处理器来模拟 127 个原子级磁棒在磁场中的行为——小到足以受量子力学的诡异规则支配。 这是一个被称为伊辛模型的简单系统，通常用于研究磁性。
这个问题太复杂了，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。
在量子计算机上，计算完成时间不到千分之一秒。 每一次量子计算都是不可靠的——量子噪声的波动不可避免地会侵入并引发错误——但每一次计算都很快，因此可以重复进行。
事实上，对于许多计算，故意添加了额外的噪音，使答案更加不可靠。 但通过改变噪声量，研究人员可以在计算的每一步梳理出噪声的具体特征及其影响。
“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 Quantum 的量子能力和演示经理、《自然》论文的作者 Abhinav Kandala 说。 “一旦我们得到这些不同噪音水平的结果，我们就可以推断出在没有噪音的情况下的结果。”
从本质上讲，研究人员能够从不可靠的量子计算中减去噪声的影响，他们称之为错误缓解的过程。
“你必须通过发明非常聪明的方法来减轻噪音来绕过它，”阿哈罗诺夫博士说。 “这就是他们所做的。”
计算机总共执行了 600,000 次计算，得出了 127 个条形磁铁产生的整体磁化强度的答案。
但答案有多好？
为了寻求帮助，IBM 团队求助于加州大学伯克利分校的物理学家。 尽管具有 127 条磁铁的伊辛模型太大，可能的配置太多，无法装入传统计算机，但经典算法可以产生近似答案，这种技术类似于 JPEG 图像压缩如何丢弃不太重要的数据以减少文件的大小，同时保留大部分图像的细节。
伯克利物理学教授、《自然》杂志论文的作者迈克尔扎莱特尔说，当他开始与 IBM 合作时，他认为他的经典算法会比量子算法做得更好。
“结果和我预想的有点不同，”Zaletel 博士说。
伊辛模型的某些配置可以精确求解，经典算法和量子算法都同意更简单的例子。 对于更复杂但可解决的实例，量子算法和经典算法会产生不同的答案，而量子算法是正确的。
因此，对于量子计算和经典计算出现分歧且不知道确切解的其他情况，“有理由相信量子计算结果更准确，”伯克利的研究生 Sajant Anand 说，他做了很多工作经典近似值。
目前尚不清楚量子计算是否无可争议地战胜了伊辛模型的经典技术。
Anand 先生目前正在尝试为经典算法添加一个错误缓解版本，并且有可能达到或超过量子计算的性能。
“他们在这里实现量子霸权并不明显，”Zaletel 博士说。
从长远来看，量子科学家期望一种不同的方法，即纠错，能够检测和纠正计算错误，这将为量子计算机加速实现多种用途打开大门。
传统计算机和数据传输中已经使用纠错来修复乱码。 但对于量子计算机来说，纠错可能还需要数年时间，需要更好的处理器来处理更多的量子比特。
IBM 科学家认为，错误缓解是一种临时解决方案，现在可用于解决 Ising 模型之外日益复杂的问题。
“这是现存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，你如何将其概括并转向更有趣的自然科学问题？”
这些可能包括弄清奇异材料的特性、加速药物发现和模拟聚变反应。
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