清華大學(xué)物理學(xué)博士、量旋科技創(chuàng)始人兼CEO項(xiàng)金根

出品｜搜狐科技

【資料圖】

作者｜鄭松毅

人類對(duì)于計(jì)算能力的渴望是永無(wú)止境的，自結(jié)繩記事以來(lái)，文明的進(jìn)步就與計(jì)算能力的提升息息相關(guān)。量子計(jì)算被認(rèn)為是突破傳統(tǒng)芯片物理局限，打開(kāi)計(jì)算新紀(jì)元大門的黃金鑰匙，但量子噪聲問(wèn)題一直是量子計(jì)算發(fā)展的障礙。

近日，發(fā)表于《自然》的一項(xiàng)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員在IBM的“Eagle”量子處理器上模擬了磁性材料的行為。值得關(guān)注的是，他們利用“誤差緩解（Error Mitigation）”的方法，繞過(guò)了量子噪聲問(wèn)題以獲得可靠的結(jié)果。IBM首席執(zhí)行官表示，“這是里程碑的證明，標(biāo)志著量子計(jì)算可實(shí)際應(yīng)用。”

清華大學(xué)物理學(xué)博士、量旋科技創(chuàng)始人兼CEO項(xiàng)金根對(duì)搜狐科技表示，“誤差緩解技術(shù)并不是新技術(shù)，但是能夠?qū)⑺鼞?yīng)用在127個(gè)量子比特這樣的規(guī)模上，并且能運(yùn)行成功，是一項(xiàng)比較重要的突破。”

量子運(yùn)算雖然快，但受噪聲影響，錯(cuò)誤率也很高。在最新研究中，研究人員有意放大噪聲，對(duì)每個(gè)量子比特中的噪聲進(jìn)行了精準(zhǔn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這些量子比特可以遵循相對(duì)可預(yù)測(cè)的模式。利用該方式，研究人員進(jìn)而推斷出在沒(méi)有噪聲情況下的測(cè)量結(jié)果。

項(xiàng)金根介紹，比特?cái)?shù)越多的情況下，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度越高，需要測(cè)量的次數(shù)也越多，如果沒(méi)有好的測(cè)控技術(shù)或芯片的話，還是比較難實(shí)現(xiàn)的。

他認(rèn)為，IBM在較大規(guī)模量子比特的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下獲得了可靠的結(jié)果，加強(qiáng)解釋了2019年谷歌提出的“量子霸權(quán)”概念，即量子計(jì)算機(jī)在特定測(cè)試案例上的表現(xiàn)，超出了任何可行經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，也為下一步量子計(jì)算邁向?qū)嵱秒A段奠定了基礎(chǔ)。

項(xiàng)金根補(bǔ)充解釋道，“量子霸權(quán)”實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，當(dāng)時(shí)在谷歌模擬電路采樣這個(gè)計(jì)算問(wèn)題節(jié)點(diǎn)時(shí)，的確計(jì)算運(yùn)行時(shí)間短得多，但后來(lái)又被一些改進(jìn)后的經(jīng)典算法推翻。他認(rèn)為，“推翻概念其實(shí)不是很重要，因?yàn)榱孔佑?jì)算會(huì)不斷發(fā)展，隨著比特?cái)?shù)量更多、保真度更高，改進(jìn)的經(jīng)典算法還是跟不上量子計(jì)算的速度和精度。”

談及量子計(jì)算的現(xiàn)發(fā)展階段，項(xiàng)金根認(rèn)為，量子計(jì)算已經(jīng)超越了第一個(gè)階段，即量子優(yōu)越性（又稱量子霸權(quán)），第二階段人們最關(guān)心的是量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候能在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下解決有用問(wèn)題時(shí)擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

“量子計(jì)算機(jī)要想得以在實(shí)際應(yīng)用中解決有用問(wèn)題，需滿足以下幾個(gè)條件，第一是比特?cái)?shù)量要更多，第二是保真度要得到提升，第三是相干時(shí)間也需要提升，這些是硬件方面的要求。另外還需提升處理量子噪聲的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及算法方面的提升?！?/p>

作為樂(lè)觀主義者的項(xiàng)金根表示，“IBM預(yù)估在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用，我估計(jì)也差不了太多?！彼忉尩溃腥擞?jì)算過(guò)，當(dāng)比特?cái)?shù)達(dá)到200個(gè)以上，保真度達(dá)到99.9%，相干時(shí)間大于100微秒時(shí)，量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下表現(xiàn)會(huì)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，具備應(yīng)用價(jià)值。

“IBM實(shí)驗(yàn)相干時(shí)間T1達(dá)288 微秒，T2達(dá) 127 微秒，已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，比特?cái)?shù)為127個(gè)，雖然保真度暫未達(dá)標(biāo)，但其后面還有更優(yōu)的芯片解決方案，很有可能達(dá)到實(shí)用場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)。”

以下為對(duì)話實(shí)錄（經(jīng)整理編輯）

搜狐科技：在您看來(lái)，IBM最新量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究主要解決了什么問(wèn)題，取得了什么成果？

項(xiàng)金根：IBM用量子芯片Eagle模擬了一個(gè)Ising模型，演示了在100多個(gè)量子位的規(guī)模上，量子計(jì)算機(jī)可以產(chǎn)生精確的結(jié)果。證明了在量子態(tài)具有較大糾纏情況下，量子計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)，優(yōu)于一些廣泛采用的經(jīng)典近似模擬算法，這些結(jié)果的獲得，得益于誤差緩解的實(shí)施。

另外，研究人員用誤差緩解模型降低了量子噪聲帶來(lái)的誤差，這些技術(shù)向大家展示帶噪聲的量子計(jì)算機(jī)未來(lái)是可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的。

搜狐科技：IBM研究團(tuán)隊(duì)使用的“誤差緩解”方法廣受關(guān)注，您認(rèn)為該方法是一項(xiàng)重大突破性技術(shù)嗎？

項(xiàng)金根：誤差緩解技術(shù)很早就有，之前在量子比特規(guī)模較小的實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)用過(guò)，不能算是IBM這次的研究成果。這次引得關(guān)注的原因是，他們把這個(gè)技術(shù)用在了一個(gè)很大規(guī)模（127量子比特）的體系上，并且能運(yùn)行成功，這算是一個(gè)比較重要的突破。

比特?cái)?shù)越多的情況下，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度越高，需要測(cè)量的次數(shù)也越多，如果沒(méi)有好的測(cè)控技術(shù)或芯片的話，還是比較難實(shí)現(xiàn)的。

搜孤科技：2019年，谷歌聲明“量子霸權(quán)”的概念，后被高校實(shí)驗(yàn)結(jié)果推翻，這次IBM的實(shí)驗(yàn)好似又重新證明了“量子霸權(quán)”概念的存在，您怎么看？

項(xiàng)金根：“量子霸權(quán)”實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，當(dāng)時(shí)在谷歌模擬電路采樣這個(gè)計(jì)算問(wèn)題節(jié)點(diǎn)時(shí)，的確計(jì)算運(yùn)行時(shí)間短得多，但后來(lái)又被一些改進(jìn)后的經(jīng)典算法推翻。

隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，保真度提高，意味著量子計(jì)算輸出結(jié)果的正確率也會(huì)有所提高，這時(shí)經(jīng)典計(jì)算機(jī)再去模擬的話計(jì)算時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，量子計(jì)算的優(yōu)越性就又回來(lái)了。

推翻概念其實(shí)不是很重要，因?yàn)榱孔佑?jì)算會(huì)不斷發(fā)展，隨著比特?cái)?shù)量更多、保真度更高，改進(jìn)的經(jīng)典算法還是跟不上量子計(jì)算的速度和精度。

IBM在較大規(guī)模量子比特的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下獲得了可靠的結(jié)果，加強(qiáng)解釋了谷歌提出的“量子霸權(quán)”概念。

搜孤科技：您認(rèn)為量子計(jì)算當(dāng)前處在哪一個(gè)發(fā)展階段？

項(xiàng)金根：量子計(jì)算已經(jīng)超越了第一個(gè)階段，也就是量子優(yōu)越性的階段。到了第二階段，人們最關(guān)心的是量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候能在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下解決有用問(wèn)題時(shí)擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

“有用問(wèn)題”是指實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中有價(jià)值的問(wèn)題，例如在藥物研發(fā)過(guò)程中完成計(jì)算仿真模擬任務(wù)，先模擬藥物分子的性質(zhì)，再計(jì)算藥物分子能與蛋白質(zhì)靶點(diǎn)結(jié)合的概率。

搜狐科技：如果想讓量子計(jì)算機(jī)真正實(shí)際應(yīng)用，需要具備哪些條件？

項(xiàng)金根：第一是量子比特?cái)?shù)量要更多，第二是保真度要得到提升，第三是相干時(shí)間也需要提升，這些是硬件方面的要求。另外還需提升處理量子噪聲的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及算法方面的提升。

搜狐科技：您認(rèn)為距離實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)還需多長(zhǎng)時(shí)間？

項(xiàng)金根：我是一個(gè)樂(lè)觀主義者，IBM預(yù)估在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用，我估計(jì)也差不了太多。

量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下它的算力要高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，只有解決問(wèn)題計(jì)算效率高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)才說(shuō)明有應(yīng)用價(jià)值，反之則沒(méi)有。

有人計(jì)算過(guò)，從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)比特?cái)?shù)達(dá)到200個(gè)以上，保真度達(dá)到99.9%，相干時(shí)間大于100微妙時(shí)，量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下表現(xiàn)會(huì)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，具備應(yīng)用價(jià)值。

IBM實(shí)驗(yàn)相干時(shí)間T1達(dá)288 微秒，T2達(dá) 127 微秒，比特?cái)?shù)為127個(gè)，雖然保真度暫未達(dá)標(biāo)，但其后面還有更優(yōu)的芯片解決方案，很有可能達(dá)到實(shí)用場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)。

搜狐科技：“量子糾錯(cuò)”被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)通用量子計(jì)算的核心問(wèn)題，也被認(rèn)為是使量子計(jì)算機(jī)完全成為現(xiàn)實(shí)的一個(gè)必要步驟?！板e(cuò)誤緩解”技術(shù)與“量子糾錯(cuò)”技術(shù)聽(tīng)起來(lái)很相似，為什么錯(cuò)誤緩解技術(shù)很早就誕生了，但量子糾錯(cuò)技術(shù)遲遲得不到實(shí)現(xiàn)呢？

項(xiàng)金根：量子糾錯(cuò)與錯(cuò)誤緩解是兩個(gè)不同的技術(shù)路徑，量子糾錯(cuò)的定義是把所有的錯(cuò)誤都糾正回來(lái)，實(shí)現(xiàn)零錯(cuò)誤的容錯(cuò)量計(jì)算，技術(shù)難度和復(fù)雜度要比錯(cuò)誤緩解技術(shù)高，誤差緩解更像是一個(gè)用來(lái)過(guò)渡的技術(shù)，是一種緩兵之計(jì)。

量子糾錯(cuò)的現(xiàn)階段難點(diǎn)在于，在現(xiàn)有的保真度條件下，糾錯(cuò)代價(jià)很高。假設(shè)保真度是99%，要實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)大概需要10萬(wàn)個(gè)量子比特才能糾正一個(gè)比特，這明顯不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有這么多比特。

對(duì)于量子糾錯(cuò)來(lái)說(shuō)，量子比特?cái)?shù)和量子保真度是兩個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)，現(xiàn)在的情況是其中一個(gè)參數(shù)指標(biāo)好了，另一個(gè)參數(shù)指標(biāo)就下降了，難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)“兩條腿走路”。

搜狐科技：如果量子計(jì)算得以實(shí)際應(yīng)用了，能做哪些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以做到的事呢？

項(xiàng)金根：從大的范圍來(lái)講，所有的計(jì)算都是等價(jià)的，輸入一個(gè)數(shù)字，通過(guò)計(jì)算輸出一個(gè)結(jié)果數(shù)字，不同的是計(jì)算過(guò)程。

經(jīng)典計(jì)算是串行計(jì)算，一步一步計(jì)算，而量子計(jì)算天生帶有并行計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)計(jì)算。

首先，與量子力學(xué)相關(guān)的計(jì)算問(wèn)題是經(jīng)典計(jì)算機(jī)本來(lái)就解決不好的，但量子計(jì)算機(jī)很擅長(zhǎng)。另外，例如制藥、化工材料、催化劑研究等涉及分子原子、化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)的計(jì)算問(wèn)題都可以用量子力學(xué)來(lái)描述，此時(shí)量子計(jì)算機(jī)的效率會(huì)發(fā)揮到極致。

除了以上領(lǐng)域，量子計(jì)算得益于并行計(jì)算能力，在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，例如加速人工智能領(lǐng)域中的模型計(jì)算。

這也就解釋了，當(dāng)前AI領(lǐng)域研究為什么都優(yōu)選GPU芯片而非CPU芯片，因?yàn)镚PU具備并行計(jì)算單元，處理深度學(xué)習(xí)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更快，以后量子芯片也會(huì)在這方面扮演重要的角色。

關(guān)鍵詞：