量子计算机刚刚击败了经典计算机——这种优势是指数级的且无条件的

一个关键的阻碍因素是：噪声，或者说在量子机器上计算时产生的错误——这实际上使得它们直到最近都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教授、电气与计算机工程教授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，利用两台由127量子位IBM Quantum Eagle处理器驱动的量子计算机，通过云端，成功演示了量子指数级扩展优势。论文《阿贝尔隐藏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》上。

Lidar（同时也是Quantum Elements, Inc.的联合创始人）说：“此前已有关于更温和类型加速的演示，例如多项式加速。然而，指数级加速是我们期望量子计算机展现的最剧烈的加速类型。”

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，相对于普通的“经典”计算机具有扩展性加速。

他澄清说，扩展性加速并不意味着你能把事情做得快100倍。“相反，它指的是当你通过增加更多变量来扩大问题规模时，量子性能和经典性能之间的差距会持续增大。而指数级加速意味着，每增加一个变量，性能差距大致翻倍。此外，我们演示的加速是无条件的。”

Lidar解释说，使加速“无条件”的原因在于它不依赖于任何未经证实的假设。先前的加速声明需要假设不存在更好的经典算法来作为量子算法的基准。在这里，由Lidar领导的团队使用了一种他们为量子计算机修改的算法，来解决“西蒙问题”的一个变体。西蒙问题是量子算法的早期示例，理论上可以无条件地比任何经典对应物指数级更快地解决某项任务。

西蒙问题涉及在数学函数中寻找一个隐藏的重复模式，被认为是著名的肖尔（Shor）因式分解算法的先驱——该算法可用于破解密码并开创了整个量子计算领域。西蒙问题就像一个猜谜游戏，玩家试图猜测只有游戏主持者（“预言机”）知道的秘密数字。一旦玩家猜出两个数字，预言机返回的答案相同，秘密数字就会被揭示，该玩家获胜。量子玩家赢得这个游戏的速度可以指数级快于经典玩家。

那么，该团队是如何实现他们的指数级加速的呢？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。”

研究人员通过四种不同方式实现了这一点：

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的二进制表示中1的个数）来限制数据输入。这比原本需要的量子逻辑操作更少，从而减少了误差累积的机会。

其次，他们使用一种称为“电路转换编译（transpilation）”的方法，尽可能压缩了所需的量子逻辑操作数量。

第三，也是最关键的一点，研究人员应用了一种称为“动态退耦合（dynamical decoupling）”的方法，即应用精心设计的脉冲序列，使量子计算机内量子比特（qubit）的行为与其嘈杂环境分离，从而保持量子处理的正轨。动态退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）”，这种方法旨在发现并纠正动态退耦后由于在算法结束时测量量子比特状态的不完美而残留的某些错误。

Lidar（同时也是南加州大学多恩西夫文理学院化学和物理学教授）说：“量子计算界正在展示量子处理器如何在特定任务上开始超越其经典对应物，并步入经典计算根本无法触及的领域。我们的结果表明，当今的量子计算机已经稳固地站在了扩展量子优势的一边。”

他补充道：“凭借这项新研究，性能分离是不可逆转的，因为我们首次演示的指数级加速是无条件的。” 换句话说，量子性能优势正变得越来越难以辩驳。

后续步骤：

Lidar谨慎地指出：“这一结果除了赢得猜谜游戏外，没有实际应用价值。在量子计算机能够声称解决了实际现实世界问题之前，还有大量工作要做。”

这将需要演示不依赖于预先知道答案的“预言机”的加速，并在进一步降低日益庞大的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，量子计算机此前在“纸面上承诺”的提供指数级加速的能力，现在已得到切实证明。

披露信息：南加州大学是IBM量子创新中心。Quantum Elements, Inc. 是IBM量子网络中的一家初创公司。