IBM vs. 量子噪音，迫在眉睫的技术之争

研究人员曾一度认为，至少在短期内，他们只能使用噪音大、容易出错的系统。

但这种情况正在开始改变。

在过去的20年里，包括谷歌、微软和IBM等巨头在内的数百家公司纷纷投入到建立量子计算的热潮中。所有这些努力只有一个目的：创造世界上的下一件大事。

量子计算机利用在原子和亚原子层面支配物质的反直觉规则来处理信息，这是传统或“经典”计算机所无法做到的。专家们认为，这项技术将在药物发现、密码学、金融和供应链物流等不同领域产生影响。

前景固然美好，但炒作也是如此。例如，2022年，美国银行研究部常务董事哈伊姆·伊斯雷尔（Haim Israel）宣称，量子计算将“比火更大，比人类经历过的所有革命都更伟大”。

——即使在科学家中间，各种说法也让量子计算成为一个难以评估的领域。

不过，评估我们在构建有用的量子计算机方面的进展，归根结底要看一个核心因素：我们能否处理好噪音。

量子系统的微妙特性使其极易受到最轻微的干扰，无论是热量产生的杂散光子、来自周围电子设备的随机信号，还是物理振动。这些噪音会造成严重破坏、产生错误，甚至让量子计算停滞不前。

不管处理器有多大，也不管“杀手级应用”是什么：除非噪音能够被“驯服”，否则量子计算机永远无法超越经典计算机。

多年来，研究人员一直认为，至少在短期内，他们可能只能使用噪声电路：许多人一直在寻找能利用这种有限容量做些有用工作的应用。这种探索并不顺利，但现在可能已经不重要了。在过去的几年里，理论和实验上的突破让研究人员宣布，噪声问题可能最终会得到解决。硬件和软件策略的结合为抑制、减轻和清除量子误差带来了希望。这并不是一种特别优雅的方法，但看起来似乎可以奏效，而且比任何人预期的都要快。

英国剑桥量子计算公司Riverlane的量子科学副总裁厄尔·坎贝尔（Earl Campbell）说：“我看到更多的证据在为乐观主义辩护。”

即使是强硬的怀疑论者也被说服了。例如，赫尔辛基大学教授萨布丽娜·马尼斯卡尔科（Sabrina Maniscalco）研究噪声对计算的影响。

她说，十年前，她还对量子计算嗤之以鼻。“我认为这确实存在一些根本性的问题。我不确定会有出路。”

不过现在，她正致力于利用量子系统设计改进版的光激活抗癌药物，这种药物在较低浓度下有效，并能被一种危害较小的光激活。她认为，该项目距离成功仅有两年半的时间。对于马尼斯卡尔科来说，“量子实用”时代——在某些任务中，使用量子处理器而不是经典处理器是合理的，即将到来。

“实际上，我对我们将很快进入量子时代充满信心。”

在经历了十多年的失望之后，量子计算机终于迎来了突破性的一刻。在整个2000年代末和2010年代初，研究人员在建造和运行真实世界的量子计算机时发现，它们的问题远远超出了理论家们的预期。

对一些人来说，这些问题似乎无法解决。但另一些人，比如杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta），却毫不畏惧。

甘贝塔是一位沉默寡言的澳大利亚人，拥有澳大利亚黄金海岸格里菲斯大学物理学博士学位。他之所以选择去那里，部分原因是那里可以让他过一把冲浪瘾。但在2004年7月，他毅然决然地前往北半球，在耶鲁大学从事光量子特性的研究。

三年后（由于纽黑文附近寒冷的海水，那时他已经不再冲浪了），甘贝塔来到了更北边的加拿大安大略省滑铁卢大学。后来，他得知IBM希望在量子计算方面有更多的实践。2011年，甘贝塔成为公司的新员工之一。

杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）负责IBM量子计算机的开发，并领导了将此类系统置于云中的倡议

IBM的量子工程师们一直忙于制造经典计算机二进制比特的量子版本。

加入公司一年后，甘贝塔发现了IBM的量子比特存在的一个问题：每个人都能看到它们变得相当不错。每当他在会议上遇到物理学家同行时，他们都会要求他在IBM的量子比特上测试他们的最新想法。没过几年，甘贝塔就开始对大量的请求望而却步。

他回忆说：“我开始觉得这太疯狂了。我们为什么要只为物理学家做实验？”

“我们看着第一批工作接踵而至。我们可以看到它们在量子计算机上跳动。当它没有坏掉时，我们开始放松下来。”

甘贝塔突然想到，如果能找到一种方法，让物理学家自己操作IBM的量子比特——也许是通过云计算，他的生活可能会更轻松。

他把这个想法告诉了自己的老板，然后在2014年底的一次聚会上，他发现自己有五分钟的时间向IBM的高管们推销这个想法。

他们问的唯一一个问题是，甘贝塔是否确定他能实现这个想法。“我想，这能有多难呢？”

——结果非常难，因为IBM的高管告诉甘贝塔，他必须尽快完成。甘贝塔说：“我想用两年时间来完成它，他们给了他一年时间。”

这是一项艰巨的挑战：当时他几乎不知道云是什么。幸运的是，他的一些同事知道，他们得以升级团队的远程访问协议用于在晚上或周末调整机器：创建了一套可从世界任何地方访问的界面。

最终，世界上第一台云访问量子计算机由五个量子比特构建而成，于2016年5月4日午夜上线。

基于云的量子计算一炮而红。第一周就有7000人注册，到月底已有22000名注册用户。然而，他们的冒险经历清楚地表明，量子计算还存在一个大问题。

该领域的最终目标是让数十万甚至数百万个量子比特协同工作。然而，随着研究人员有望测试仅含有几个协同工作的量子比特的量子计算机，许多有关其产生噪声程度的理论假设都被证明是严重偏差的。

量子计算机总是会产生一些噪声。由于量子计算机在绝对零度以上的温度下运行，热辐射始终存在，因此每个人都预计量子比特会受到一些随机撞击；但也有非随机的撞击。

控制电子元件的温度变化产生了噪音。施加能量脉冲使量子比特处于正确状态也会产生噪声。最糟糕的是，向一个量子比特发送控制信号时，会在附近的其他量子比特中产生噪声。

当量子算法在十几个量子比特上运行时，其性能始终令人震惊。

在2022年的一次评估中，澳大利亚悉尼大学量子控制实验室主任迈克尔·比尔库克（Michael Biercuk）和其他人计算了在噪声破坏量子比特中的信息并迫使计算偏离轨道之前，算法成功运行的概率。

如果已知正确答案的算法运行3万次，正确答案可能只返回三次。

虽然令人失望，但这也很有教育意义。“人们通过实际使用这些机器学到了很多知识，我们发现了很多无人知晓的东西；或者他们知道，却不知道该怎么做。”

从嘈杂的“掌声”中恢复过来后，研究人员开始团结起来。现在，他们已经提出了一套解决方案，可以共同控制噪音。

从广义上讲，解决方案可分为三类。

基础层是误差抑制。这是通过经典软件和机器学习算法来实现的，它们不断分析电路和量子比特的行为，然后重新配置电路设计和下达指令的方式，从而更好地保护量子比特中保存的信息。

这正是比尔库克的公司Q-CTRL所从事的工作之一；该公司表示，抑制可以使量子算法产生正确答案的可能性提高1000倍。

下一层是错误缓解，它利用的是这样一个事实，即并非所有错误都会导致计算失败；许多错误只会使计算偏离轨道。

通过研究噪声在运行特定算法的特定系统中产生的错误，研究人员可以在量子电路中应用一种“抗噪声”技术，以减少计算和输出过程中出现错误的几率。

这种技术类似于降噪耳机的工作原理，但并非完美无缺。例如，它依赖于多次运行算法，这增加了运行成本，而且算法只能估计噪声。

不过，甘贝塔说，它能有效减少最终输出的误差。

总部位于赫尔辛基的Algorithmiq公司（马尼斯卡尔科是该公司的首席执行官）有自己的方法在计算完成后清理噪音。

马尼斯卡尔科说：“它基本上是在后处理中消除噪音，就像清理量子计算机中的垃圾一样。到目前为止，它似乎可以在相当大的范围内工作。”

除此之外，“量子纠错”（QEC）领域也取得了越来越多的成就。QEC将信息编码在一组量子比特的量子态中，而不是将一个量子比特的信息保存在一个量子比特中。

在其中任何一个量子比特中出现由噪声引起的错误，都不会像在单个量子比特中保存信息那样造成灾难性后果：通过监控每一个附加量子比特，可以检测到任何变化，并在信息无法使用之前进行纠正。

长期以来，实现QEC一直被认为是通往大规模、抗噪量子计算之路的关键步骤之一，也是机器实现该技术所有承诺（如破解流行加密方案的能力）的关键步骤之一。

问题是，QEC需要大量开销。黄金标准的纠错架构（即表面码）至少需要13个物理量子比特才能保护一个有用的“逻辑”量子比特。

当你把逻辑量子比特连接在一起时，这个数字就会膨胀：一个有用的处理器可能需要1000个物理量子比特来保护每一个逻辑量子比特。

不过，现在有多种理由对此持乐观态度。例如，2022年7月，谷歌的研究人员发布了一个表面码的演示，当更多的量子比特连接在一起时，性能会变得更好，而不是更差。

表面码的理论替代方案也有了很好的示范。

IBM的Quantum System One是一款商用量子计算机，它使用这种类似吊灯的结构来冷却量子比特

2023年8月，包括甘贝塔在内的一个IBM团队展示了一种纠错技术，只需额外使用276个量子比特就能控制12量子比特存储电路中的错误，与表面码所需的数千个额外量子比特相比，这是一项重大改进。

9月，另外两个团队利用超导电路和离子阱处理器，展示了被称为CCZ门的容错电路的类似改进。

如此多的噪声处理技术都在蓬勃发展，这是一件大好事：尤其是在我们可能从小规模、高噪声处理器中得到一些有用东西的想法被证明是失败的时候。

实际纠错尚未在商用量子处理器上实现（一般也无法在计算过程中作为实时过程实现）。但比尔库克认为，量子计算终于迎来了它的春天。

他说：“我认为我们现在已经步入正轨。”

在这些创新的同时，硬件性能也在普遍提高：这意味着运行中的量子比特的基线错误越来越少，而且每个处理器上的量子比特数量也在增加，这使得更大、更有用的计算成为可能。

比尔库克说，他已经开始意识到，与性能最好的经典计算机相比，他可能很快就会选择量子计算机。无论是经典计算机还是量子计算机，都无法完全解决大规模任务，比如为全国范围内的送货卡车寻找最佳路线。

但是，比尔库克指出，访问和运行最好的经典超级计算机需要花费大量资金：可能比访问和运行量子计算机还要多，而量子计算机甚至可能提供更好一点的解决方案。

芬兰量子计算机提供商IQM的首席技术官兼联合创始人 Kuan Tan说：“看看高性能计算中心每天都在做些什么。他们正在运行耗电巨大的科学计算，而量子计算机可以实现这些计算，其功耗要低得多。”

Tan认为，量子计算机并不一定要比其他类型的计算机更好才能吸引付费用户：它只需要性能相当，运行成本更低。

他预计，我们将在未来三到五年内实现量子能源优势。

长期以来，人们一直在争论量子计算研究人员在与经典计算机竞争时应该瞄准什么目标。

是谷歌所追求的“量子霸权”——证明量子计算机可以在合理的时间内解决经典计算机无法解决的问题？还是IBM所愿的“量子优势”——在解决有用的问题时性能更优越？还是IBM最新的流行语“量子实用性”？

这些语义反映了对近期目标重要性的不同看法。

2023年6月，IBM宣布将开始从云端退役其入门级处理器，因此其127量子比特的Eagle处理器将成为该公司提供的最小处理器。此举旨在推动研究人员优先处理真正有用的任务。

IBM表示，Eagle是一款“公用事业级”处理器：如果处理得当，它可以“为那些挑战最佳可扩展经典方法的问题提供有用的结果”。

这是一个有争议的说法。许多人怀疑Eagle是否真的能够超越经过适当准备的经典计算机。但是，经典计算机已经在努力追赶它的脚步，而IBM还有更大的系统：433量子比特的Osprey处理器（也可以通过云访问）和1121量子比特的Condor处理器（2023年12 月首次亮相）。

甘贝塔为IBM的量子处理器命名的理由很简单：“我喜欢鸟”。该公司有一种新的模块化设计，名为“苍鹭”（Heron），而“火烈鸟”（Flamingo）处理器将于2025年面世：芯片之间采用全量子连接，让量子信息在不同处理器之间畅通无阻，从而实现真正的大规模量子计算。

甘贝塔说：“我的目标是让2025年成为展示关键技术的重要一年，让我们能够将量子计算扩展到数十万量子比特。这将使2025年成为量子计算可证明可扩展的第一年。”

IBM的模块化Heron芯片旨在实现与经典通信连接的多芯片量子计算机，公司的目标是让未来的芯片支持量子通信

随着量子计算大步发展，量子计算机开始处理现实世界的数据，技术和地域多样性对于避免地缘政治问题和数据共享法规问题将非常重要。

例如，有一些限制旨在维护国家安全，这或许会限制IBM和谷歌等跨国巨头的市场机会。

2022年初，法国国防部长宣布量子技术具有“战略意义”，同时宣布了一项新的国家研究计划。

2023年7月，德国电信宣布与IQM建立新的合作伙伴关系，以基于云的方式访问量子计算，并称这是让德国电信客户访问“在欧洲内部构建和管理的真正主权量子环境”的一种方式。

这不仅仅是民族主义的虚张声势：主权很重要。

随着大规模量子计算机对标准加密协议构成严重威胁的时代日益临近，各国政府和商业组织都希望能够在本国境内测试“后量子”加密算法——以抵御任何量子计算机（无论其大小）攻击的算法。

这还不是问题。很少有人认为，破坏安全的大规模量子处理器指日可待。但可以肯定的是，越来越多的人相信，在短短几年内，这个领域就有可能在其他方面实现变革和实用性。

而如今，这种信念是建立在现实成就的基础上的。“在 Algorithmiq，我们相信未来量子实用性将很快实现。”马尼斯卡尔科说。

对她来说，唯一的缺点是并非每个人都像她一样乐观。她坚持认为，量子计算现在已经到来，但旧的反对意见难以消除，许多人拒绝看到这一点。

“仍然存在很多误解：当我看到或听到某些对话时，我会感到非常不安，有时我真希望自己有一根魔杖，能让人们睁开眼睛。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03854-1

[2]https://www.technologyreview.com/2024/01/04/1084783/quantum-computing-noise-google-ibm-microsoft/

[3]https://scipost.org/SciPostPhysLectNotes.49/pdf

[4]https://fortworthreport.org/2022/09/17/listen-boa-global-strategist-sees-a-transition-from-oil-to-cleaner-energy-options-and-increased-u-s-based-manufacturing/

[5]https://www.technologyreview.com/2023/10/19/1081389/unbreakable-encryption-quantum-computers-cryptography-math-problems/