挥别“纸上谈兵”，IBM成为第一个在现实场景中，展示量子计算机优势的公司

当地时间6月29日，IBM的研究人员终于在一个现实世界的实验中证明，量子计算机优于经典设备。并以“有限空间计算的量子优势” (Quantum advantage for computations with limited space) 为题发表在《自然》杂志上[1]。

论文中显示，IBM的量子科学家从数学上证明，受限制的经典计算机无法计算某些函数，但受限制的量子计算机可以，以此来达到量子优势。

长期以来，IBM的量子团队一直在探索量子优势，尽管如今的量子设备有其局限性，但团队仍好奇这种设备是否可以用来完成在经典系统上无法完成的任务。

由于量子计算的发展仍处于初级阶段，研究人员通过设计一个空间有限的微观实验——即有限的可用内存，从而平衡了这两种方法 (经典和量子) 之间的竞争环境。
 

图1｜数学方式证明量子优势 (来源：IBM)

研究人员建立了两个有限空间线路，一个是经典线路，一个是量子线路，只有一个比特或量子比特可用于计算和结果存储。

编入线路的任务为，找出三个输入比特中的多数群体，如果一半以上的比特为0，则返回0；如果一半以上的比特为1，则返回1。

研究人员表示，这些限制使得在进行计算时能够公平地比较经典和量子空间的能力。

IBM量子团队在其博客中表示[2]，正在通过他们的研究探索一个非常简单的问题，即当一台计算机可以使用经典涂销空间 (scratch space) 与量子涂销空间时，计算能力有何不同？

团队认为，由于经典系统仅配备了用于计算和存储的单一比特，所以该类系统没有能力运行该算法。即使通过添加所谓的随机布尔逻辑门 (random Boolean gates) 来提高系统的计算能力，经典计算机也只有87.5%的成功率。

另一方面，量子设备的表现则更好。研究人员在其理论演示中表示，一台完美无噪音的量子计算机可以有100%的成功率。
 

图2｜实验数据 (来源：IBM)

上图显示，六个输入“第二低有效位 (Second Least Significant Bit, SLSB)”函数的每个可能的输入量子比特组合的计算量子比特的输出状态。

其中，蓝色虚线表示每个输入的正确输出 (1或0)，而水平的红色虚线表示1比特经典计算机的平均成功率。

因此，输出在红线之外的量子计算机表明了量子优势。数据点显示，蓝点代表的中间线路复位与橙黄叉号代表的SWAP线路相比，中间线路复位提高了线路的性能。

这是因为，与可以代表1或0的经典比特不同，量子比特可以同时呈现不同状态的组合，这意味着它们可以访问更大的价值空间。换句话说，量子空间比经典空间更有价值。

然而，理论毕竟还是理论，并非现实。今天的量子计算机仍然过于嘈杂，无法达到研究人员在论文中展示的完美结果。

但是当在现实生活中进行实验时，通过校准线路以更有效地运行程序，IBM的团队观察到了93%的成功率，依旧要比经典系统好。

IBM量子团队证明，即便是今天的含噪量子比特，在计算过程中作为存储介质，提供的价值要比经典比特更多。

这意味着，即使是今天的含噪中等规模量子设备，在上述问题上也能比理论上经典设备的最佳性能更受一筹。这表明，随着技术的发展，量子设备与经典设备的性能差距只会越来越大。
 

图3｜IBM量子团队 (来源：IBM)

IBM量子团队声称，这是世界上第一次展示量子优势，因为该理论终于得到了现实生活中实验的支持。

迄今为止，研究项目关注的是证明理论上的量子优势，这种优势只有在硬件足够成熟时，也就是可以运行大规模程序时，才能够得到证明。

因为科学家们发现，在小规模问题上，量子系统与经典系统不相上下。只是理论上推测，量子设备最终会随着计算机的发展而带来优势。

而IBM的研究人员表示，这是他们第一次意识到，他们不仅证明了，且实验验证了一种新的量子优势。

 

参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01271-7
[2]https://research.ibm.com/blog/quantum-advantage-limited-space#fn-1
[3]https://www.zdnet.com/article/ibm-researchers-demonstrate-the-advantage-that-quantum-computers-have-over-classical-computers/
 

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