量子计算机超越经典计算机——指数级且无条件地

一个关键阻碍因素是噪声，即在量子机器计算过程中产生的错误——这实际上使得量子计算机在不久前还逊色于经典计算机。

南加州大学维特比工程学院维特比工程学讲席教授、电气与计算机工程教授丹尼尔·利达尔（Daniel Lidar）一直致力于量子纠错的迭代研究。在一项与南加州大学和约翰霍普金斯大学合作者的新研究中，通过云端使用两台由127量子位的IBM量子鹰处理器驱动的量子计算机，成功展示了量子指数级扩展优势。该论文《阿贝尔隐子群问题的算法量子加速演示》发表在APS旗舰期刊《物理评论X》（Physical Review X）上。

"此前已有过更温和类型加速的演示，比如多项式加速，"利达尔说道，他同时也是量子元素公司（Quantum Elements, Inc.）的联合创始人。"但指数级加速是我们预期量子计算机所能实现的最显著加速类型。"

利达尔表示，量子计算的关键里程碑始终是证明我们能够执行完整的算法，并实现相对于传统'经典'计算机的扩展性加速。

他澄清道，扩展性加速并不意味着你能以快100倍的速度完成某项任务。"相反，它指的是当你通过增加变量来扩大问题规模时，量子与经典性能之间的差距会持续扩大。指数级加速意味着每增加一个变量，性能差距大约翻倍。此外，我们演示的加速是无条件的。"

利达尔解释，所谓"无条件"加速是指它不依赖任何未经证实的假设。以往的加速声明需要假设不存在更好的经典算法作为量子算法的基准。在本研究中，由利达尔领导的团队使用了一种经他们修改的量子算法来解决"西蒙问题"（Simon's problem）的一个变体。西蒙问题是最早的量子算法范例之一，理论上它能无条件地以指数级速度超越任何经典算法解决特定任务。

西蒙问题涉及在数学函数中寻找一个隐藏的重复模式，它被认为是著名的肖尔（Shor）质因数分解算法的前身——后者可用于破解密码并催生了整个量子计算领域。西蒙问题类似于一个猜谜游戏：玩家试图猜测只有游戏主持者（"预言机"）知晓的秘密数字。一旦玩家猜出两个数字，而预言机返回的答案相同，秘密数字即被揭示，该玩家获胜。量子玩家赢得游戏的速度比经典玩家快指数倍。

那么，该团队如何实现指数级加速？第一作者、南加州大学博士研究员帕塔拉蓬·辛卡尼帕（Phattharaporn Singkanipa）表示："关键在于榨取硬件的每一分性能：更短的电路、更智能的脉冲序列以及统计误差缓解。"

研究人员通过四种方式实现这一目标：

首先，他们通过限制允许的秘密数字数量（技术上通过限制秘密数字集合二进制表示中1的数量）来约束数据输入。这比原本所需更少的量子逻辑操作，从而减少了错误累积的机会。

其次，他们使用名为"转译"（transpilation）的方法尽可能压缩所需的量子逻辑操作数量。

第三点也最为关键，研究人员应用了"动态解耦"（dynamical decoupling）方法。这意味着施加精心设计的脉冲序列，使量子计算机内的量子比特行为与其嘈杂环境分离，从而保持量子处理的正轨。动态解耦对他们演示量子加速的能力产生了最显著的影响。

最后，他们应用了"测量误差缓解"（measurement error mitigation）。该方法在动态解耦后，针对算法结束时因量子比特状态测量不完美而残留的特定误差进行查找和校正。

利达尔（他同时是南加州大学多恩西夫文理学院化学与物理学教授）表示："量子计算界正在展示量子处理器如何在特定任务中开始超越其经典对手，并进入经典计算根本无法企及的领域。我们的结果表明，当今的量子计算机已经稳固地立于扩展性量子优势一侧。"

他补充道："凭借这项新研究，性能的分离已不可逆转，因为我们首次展示了无条件的指数级加速。" 换言之，量子性能优势正日益难以撼动。

后续步骤：

利达尔谨慎指出："这一成果除了赢得猜谜游戏外并无实际应用。在宣称量子计算机解决实际现实问题之前，仍有大量工作要做。"

这需要展示不依赖预先知晓答案的"预言机"的加速，并在进一步降低更大规模量子计算机中的噪声和退相干的方法上取得重大进展。尽管如此，量子计算机此前'纸上承诺'的提供指数级加速的能力，现已得到坚实证明。

披露声明：南加州大学是IBM量子创新中心。量子元素公司是IBM量子网络中的一家初创公司。