量子计算机首次以指数级优势且无条件超越经典计算机

一个关键障碍：噪音，即在量子机器计算过程中产生的误差——这实际上使得量子计算机不如传统计算机强大——直到最近才有所改变。

南加州大学维特比工程学院维特比工程学讲席教授、电气与计算机工程学教授丹尼尔·利达尔（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完成的新研究中，通过云端使用两台由127量子位IBM Quantum Eagle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。题为《阿贝尔隐藏子群问题的算法量子加速演示》的论文发表在APS旗舰期刊《物理评论X》（Physical Review X）上。

"此前已有过更温和加速类型的演示，比如多项式加速，"利达尔表示（他也是Quantum Elements, Inc.的联合创始人），"但指数级加速是我们期望量子计算机展现的最显著加速类型。"

利达尔指出，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。

他阐明，扩展性加速并非指任务速度提升100倍之类。"而是指当增加问题规模（包含更多变量），量子与经典性能之间的差距会不断扩大。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，我们展示的加速是无条件的。"

利达尔解释，"无条件"加速意味着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优的经典算法作为量子算法的基准。利达尔领导的团队在此次研究中采用了经过修改的量子算法，用于求解"西蒙问题（Simon's problem）"的一个变体。西蒙问题是最早的量子算法示例之一，理论上能够无条件地以指数级速度超越任何经典算法完成特定任务。

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（Shor）因式分解算法的前身（该算法可用于破解密码并开启了量子计算整个领域）。西蒙问题如同一个猜谜游戏，玩家试图猜测仅游戏主机（"预言机"）知晓的密钥。当玩家猜出两个使预言机返回相同答案的数字时，密钥即被揭示，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？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密钥数量（技术上是通过限制密钥集合二进制表示中'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，从而降低了误差累积的机会。

其次，他们使用一种称为"量子电路编译优化（transpilation）"的方法，尽可能压缩所需的量子逻辑操作数量。

第三（也是最关键的一点），研究人员应用了称为"动态解耦（dynamical decoupling）"的方法，即施加精心设计的脉冲序列，使量子计算机中的量子位行为脱离其嘈杂环境，确保量子处理正常进行。动态解耦对其展示量子加速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）"，该方法可在动态解耦后找出并校正因算法结束时量子位状态测量不完美而残留的特定误差。

利达尔（同时担任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上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稳固地位于扩展性量子优势这一侧。"

他补充道，通过这项新研究，"性能鸿沟已不可逆转，因为我们首次展示的指数级加速是无条件的。" 换言之，量子性能优势正日益难以辩驳。

后续步骤：

利达尔告诫道："此成果除了赢得猜谜游戏外并无实际应用，在宣称量子计算机能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"的加速能力，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，量子计算机先前"停留在纸面上的承诺"——提供指数级加速——现已被确凿证实。

披露信息：南加州大学是IBM量子创新中心。Quantum Elements, Inc.是IBM量子网络的成员单位。