本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

IBM目標(biāo)到2029年建造一臺名為Starling的量子計(jì)算機(jī)。

IBM 10月24日表示，它可以在AMD的常用芯片上運(yùn)行一項(xiàng)關(guān)鍵的量子計(jì)算糾錯(cuò)算法，這是向超強(qiáng)計(jì)算機(jī)商業(yè)化邁出的一步。

這家美國科技巨頭正在與微軟和谷歌等公司競相開發(fā)量子計(jì)算技術(shù)，后者本周剛宣布了一項(xiàng)突破性的算法。

量子計(jì)算機(jī)使用所謂的量子比特來解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年才能破解的問題——例如數(shù)萬億原子隨時(shí)間如何反應(yīng)的問題。然而，量子比特容易出錯(cuò)，這些錯(cuò)誤會(huì)迅速淹沒量子芯片的有用計(jì)算工作。

今年6月，IBM表示已開發(fā)出一種與量子芯片協(xié)同運(yùn)行的算法，可以解決此類錯(cuò)誤。在一份將于10月27日發(fā)布的研究論文中，IBM或?qū)⒄故酒淇梢栽谟葾MD制造的FPGA芯片上實(shí)時(shí)運(yùn)行這些算法。

IBM研究院院長Jay Gambetta表示，這項(xiàng)工作表明IBM的算法不僅在現(xiàn)實(shí)世界中有效，而且可以在一種并非“貴得離譜”的、現(xiàn)成可用的AMD芯片上運(yùn)行。

“實(shí)現(xiàn)它，并證明其實(shí)際運(yùn)行速度比所需速度快10倍，這意義重大，”Gambetta在一次采訪中說。

IBM有一個(gè)多年計(jì)劃，旨在到2029年建造一臺名為Starling的量子計(jì)算機(jī)。Gambetta表示，此次披露的算法工作比原計(jì)劃提前了一年完成。

谷歌量子新突破，比經(jīng)典超算快13000倍

谷歌宣布了一種全新的算法，即量子回聲（Quantum Echoes）。該算法在Willow芯片上運(yùn)行，解決原子相互作用問題的速度比最好的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)快13000倍，在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成了需要Frontier超級計(jì)算機(jī)大約 3.2 年才能完成的計(jì)算。

值得一提的是，谷歌聲稱“Quantum Echoes”算法具有可驗(yàn)證性，這意味著可以在其他量子計(jì)算機(jī)上重復(fù)運(yùn)行。相關(guān)研究成果發(fā)布于《自然》雜志。

谷歌量子AI的研究科學(xué)家Tom O’Brien表示：“可驗(yàn)證性的關(guān)鍵意義在于，這是邁向現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用的重要一步，實(shí)現(xiàn)這一成果表明我們正切實(shí)推動(dòng)量子計(jì)算走向主流。”

量子回聲核心是測量一種量子可觀測量的期望值，這種可觀測量被稱為OTOC（out-of-time-order correlator）。OTOC及其高階推廣是一類新的可觀測量，用于描述量子動(dòng)力學(xué)如何變得混沌。與比特串不同，量子期望值（例如電流、速度、磁化強(qiáng)度和密度）是可驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果，即使在不同的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)也保持不變。

這是歷史上首次有量子計(jì)算機(jī)成功運(yùn)行了一項(xiàng)可驗(yàn)證且能力超越超級計(jì)算機(jī)的算法。量子可驗(yàn)證性意味著該結(jié)果可在谷歌量子計(jì)算機(jī)（或其他任何同等水平的量子計(jì)算機(jī)）上重復(fù)得出，從而確認(rèn)結(jié)果的正確性。這種可重復(fù)、超越經(jīng)典計(jì)算的能力是可擴(kuò)展驗(yàn)證的基礎(chǔ)，使量子計(jì)算機(jī)更接近成為實(shí)際應(yīng)用的工具。

此次谷歌披露的新技術(shù)量子回聲的運(yùn)作方式類似一種高度先進(jìn)的回聲。通過向量子系統(tǒng)（Willow芯片上的量子比特）發(fā)送精心設(shè)計(jì)的信號，擾動(dòng)其中一個(gè)量子比特，隨后精確逆轉(zhuǎn)信號的演化過程，以 “聆聽” 返回的 “回聲”。這種量子“回聲”的特別之處在于，它會(huì)通過相長干涉得到放大——這是一種量子波疊加后強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象，這使得測量具備極高的靈敏度。

量子回聲算法的實(shí)現(xiàn)，得益于Willow芯片量子硬件的進(jìn)步。去年，Willow芯片通過 “隨機(jī)線路采樣” 基準(zhǔn)測試證明了其性能，該測試旨在衡量量子態(tài)的最大復(fù)雜度。量子回聲算法代表了一類新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗M了一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)。這意味著該算法不僅測試復(fù)雜度，還測試最終計(jì)算的精度。這也是稱之為 “量子可驗(yàn)證” 的原因，即結(jié)果可通過另一臺同等水平的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行交叉基準(zhǔn)測試和驗(yàn)證。要同時(shí)實(shí)現(xiàn)精度和復(fù)雜度，硬件必須具備兩個(gè)關(guān)鍵特性：極低的錯(cuò)誤率和高速的運(yùn)算能力。

量子計(jì)算機(jī)將在模擬量子力學(xué)現(xiàn)象方面發(fā)揮重要作用，例如原子與粒子的相互作用以及分子的結(jié)構(gòu)。科學(xué)家用于理解化學(xué)結(jié)構(gòu)的工具之一是核磁共振（NMR），其原理與磁共振成像（MRI）技術(shù)相同。核磁共振就像一臺分子顯微鏡，其分辨率足以觀察到原子的相對位置，這有助于理解分子的結(jié)構(gòu)。

模擬分子的形狀和動(dòng)態(tài)變化是化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)。在這方面的進(jìn)展，是生物技術(shù)、太陽能、核聚變等領(lǐng)域取得突破的重要支撐。

在與加州大學(xué)伯克利分校合作的一項(xiàng)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在Willow芯片上運(yùn)行了量子回聲算法，對兩個(gè)分子（一個(gè)含 15 個(gè)原子，另一個(gè)含 28 個(gè)原子）進(jìn)行了研究，以驗(yàn)證該方法的有效性。量子計(jì)算機(jī)得出的結(jié)果與傳統(tǒng)核磁共振技術(shù)的結(jié)果一致，并且揭示了傳統(tǒng)核磁共振通常無法獲得的信息，這對研究團(tuán)隊(duì)方法的有效性是至關(guān)重要的驗(yàn)證。

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