量子计算机刚刚击败经典计算机——优势呈指数级增长且无条件成立

一个关键障碍是：噪声或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近期之前不如经典计算机强大。

南加州大学维特比工程学院维特比工程讲席教授、电气与计算工程教授Daniel Lidar一直在迭代量子纠错技术。在一项与南加州大学和约翰霍普金斯大学合作者共同进行的新研究中，他利用两台由127量子比特IBM Quantum Eagle处理器驱动的量子计算机（通过云端访问），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Physical Review X上。

“此前已有过更温和类型加速的演示，例如多项式加速，”同时也是Quantum Elements公司联合创始人的Lidar说。“但指数级加速是我们预期量子计算机所能展现的最显著加速类型。”

Lidar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把事情做得快100倍。“相反，它指的是随着你通过增加更多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。而指数级加速意味着每增加一个变量，性能差距大致会翻倍。此外，我们所演示的加速是无条件的。”

Lidar解释说，加速之所以是“无条件”的，是因为它不依赖于任何未经证实的假设。此前的加速声明需要假设不存在更优的经典算法来作为量子算法的基准。在此，由Lidar领导的团队使用了一种经过修改的量子算法来解决“西蒙问题”的变体——西蒙问题是量子算法的早期范例，理论上能无条件地以指数级速度超越任何经典对应算法完成任务。

西蒙问题涉及在数学函数中寻找隐藏的重复模式，被认为是著名的肖尔分解算法的先驱（该算法可用于密码破译并开创了整个量子计算领域）。西蒙问题类似于猜谜游戏：玩家试图猜测仅由游戏主持者（“预言机”）知晓的秘密数字。一旦玩家猜中两个使预言机返回相同答案的数字，秘密数字即被揭示，该玩家获胜。量子玩家赢得此游戏的速度可比经典玩家快指数级。

那么，该团队如何实现指数级加速？论文第一作者、南加州大学博士研究员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。这减少了所需的量子逻辑操作数量，从而降低了错误累积的机会。

其次，他们使用称为“转译”的方法尽可能压缩所需量子逻辑操作的数量。

第三，也是最关键的是，研究人员应用了名为“动态退耦”的方法——通过施加精心设计的脉冲序列，使量子计算机内量子比特的行为与其嘈杂环境解耦，从而保持量子处理的正轨。动态退耦对其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”——一种在动态退耦后查找并纠正剩余误差的方法（这些误差源于算法结束时测量量子比特状态的不完美）。

同时担任南加州大学多恩西夫文理学院化学与物理教授的Lidar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经典对应物，并正步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稳固地位于扩展性量子优势的一侧。”

他补充道，通过这项新研究，“性能分离不可逆转，因为我们首次展示的指数级加速是无条件的。”换言之，量子性能优势正变得越来越难以质疑。

后续步骤：

Lidar谨慎指出：“此结果除赢得猜谜游戏外并无实际应用价值，在宣称量子计算机已解决实际现实问题之前仍有大量工作待完成。”

这需要演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的噪声和退相干方法上取得重大进展。尽管如此，量子计算机此前“停留在纸面”的提供指数级加速的承诺现已得到坚实证明。

披露声明：南加州大学是IBM量子创新中心。Quantum Elements公司是IBM量子网络的初创成员。