量子計算機的發展瓶頸

Sora

到目前為止，量子計算在大多數人眼中是一種革命性的技術。它利用了量子力學的奇特特征，比普通計算機更快地解決某些問題。這些問題包羅萬象，涵蓋從數學世界到零售業，從物理到金融。如果人們可以正確使用量子計算，它所提供的益處可以提升經濟實力并增強美國的競爭力。

現狀堪憂

量子計算的前景在20世紀80年代首次得到認可，但直到現在仍未完全實現。量子計算機的設計、構建和編程非常之難，這使得各類量子計算機實驗項目都因噪聲、故障和量子相干性損失（也叫退相干）而癱瘓。

由振動、溫度波動、電磁波以及外部環境的其他相互作用引起的這種相干性損失，最終破壞了計算機的奇異量子特性。鑒于目前普遍存在的退相干和其他錯誤，當代量子計算機不太可能為執行時間極短的程序輸出正確答案。

雖然一代代更新的技術和架構希望解決這些問題，但現有的硬件平臺仍然不能保持相干一致性，并提供大規模計算所需的強大糾錯能力。

與此同時，現在這個價值數十億美元的問題是，人們如何從一臺在完成常規計算之前就變得不可靠的計算機中，獲得有用的結果呢？

工業界、學術界和國家實驗室的研究人員，都正在尋求減少計算機錯誤的方法。一種方法是基于目前所具有的在各種噪聲水平下的計算結果，來推測無差錯計算時量子計算機的狀態。一種方法則完全不同，它采用量子經典混合算法，只運行量子計算機程序中性能起決定性作用的部分，而其余大部分程序運行在更穩定的經典計算機上。事實證明，這些策略對處理量子計算機的嘈雜運行環境非常有用。

雖然經典計算機也會受到各種錯誤源的影響，但這些錯誤可以通過適量的額外存儲和邏輯卷來糾正。量子誤差校正方案確實存在，但會消耗大量的量子比特，只有相對較少的量子比特保留下來用于實際計算。

謹慎消耗量子比特很重要。現在最先進的基于“量子邏輯門”的量子計算機，只會消耗50個量子比特。

克服缺陷

量子力學挑戰了人們的直覺。人們很難找出執行有意義任務的最佳算法。為了克服這些問題，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的團隊正在研究一種新方法，來創造和優化在嘈雜的量子計算機上執行有用任務的算法。

量子誤差校正方案確實存在，但會消耗大量的量子比特。

這項研究的主要思想是，在退相干之前減少嘗試完成執行的門數，這樣其他錯誤源出現的可能性就有可能大幅降低。

研究團隊使用機器學習，將量子電路轉換或編譯成專屬于特定量子計算機的最佳等效電路。在最近的一次突破中，團隊設計了一種方法，采用這種方法，可以產生比利用現有技術所寫出的方法更短的算法，它們因此減少了噪聲的干擾。

這種機器學習方法，還可以利用特定算法和硬件平臺，對運算錯誤進行糾偏。例如，它可能會發現某個量子比特比另一個量子比特噪聲小，從而優先使用質量更高的量子比特。在這種情況下，機器學習可使用最少的計算資源和最少的邏輯門創建一種通用算法，來計算該計算機上分配到的任務。經過這樣的優化，算法將能在更長的時間周期內穩定運行。

這種方法可以在量子計算機上受限制的設置狀態下運行，現在也已登陸云端，可供公眾使用。它還利用量子計算機的優越能力，進一步拓展算法規模，大型量子計算機也可以用它來解決更大規模的問題。

量子算法領域的新工作成果，將為專家和非專家提供新的工具。應用程序開發人員可以利用量子計算的潛力來加快程序執行速度，從而超出傳統計算的限制。

這些進步可能會讓人們獲得更加強大、可靠的大型量子計算機，以解決復雜的現實世界問題—計算這些問題時，哪怕速度最快的經典計算機運行到崩潰，也得不到結果。