時事觀瀾
清華大學物理學博士、量旋科技創始人兼CEO項金根
【資料圖】
出品｜搜狐科技
作者｜鄭松毅
人類對于計算能力的渴望是永無止境的，自結繩記事以來，文明的進步就與計算能力的提升息息相關。量子計算被認為是突破傳統芯片物理局限，打開計算新紀元大門的黃金鑰匙，但量子噪聲問題一直是量子計算發展的障礙。
近日，發表于《自然》的一項原理驗證實驗中，研究人員在IBM的“Eagle”量子處理器上模擬了磁性材料的行為。值得關注的是，他們利用“誤差緩解（Error Mitigation）”的方法，繞過了量子噪聲問題以獲得可靠的結果。IBM首席執行官表示，“這是里程碑的證明，標志著量子計算可實際應用。”
清華大學物理學博士、量旋科技創始人兼CEO項金根對搜狐科技表示，“誤差緩解技術并不是新技術，但是能夠將它應用在127個量子比特這樣的規模上，并且能運行成功，是一項比較重要的突破。”
量子運算雖然快，但受噪聲影響，錯誤率也很高。在最新研究中，研究人員有意放大噪聲，對每個量子比特中的噪聲進行了精準測量，發現這些量子比特可以遵循相對可預測的模式。利用該方式，研究人員進而推斷出在沒有噪聲情況下的測量結果。
項金根介紹，比特數越多的情況下，實驗復雜度越高，需要測量的次數也越多，如果沒有好的測控技術或芯片的話，還是比較難實現的。
他認為，IBM在較大規模量子比特的實驗環境下獲得了可靠的結果，加強解釋了2019年谷歌提出的“量子霸權”概念，即量子計算機在特定測試案例上的表現，超出了任何可行經典計算機的計算能力，也為下一步量子計算邁向實用階段奠定了基礎。
項金根補充解釋道，“量子霸權”實際上是一個動態的概念，當時在谷歌模擬電路采樣這個計算問題節點時，的確計算運行時間短得多，但后來又被一些改進后的經典算法推翻。他認為，“推翻概念其實不是很重要，因為量子計算會不斷發展，隨著比特數量更多、保真度更高，改進的經典算法還是跟不上量子計算的速度和精度。”
談及量子計算的現發展階段，項金根認為，量子計算已經超越了第一個階段，即量子優越性（又稱量子霸權），第二階段人們最關心的是量子計算機什么時候能在實際應用場景下解決有用問題時擊敗經典計算機。
“量子計算機要想得以在實際應用中解決有用問題，需滿足以下幾個條件，第一是比特數量要更多，第二是保真度要得到提升，第三是相干時間也需要提升，這些是硬件方面的要求。另外還需提升處理量子噪聲的技術標準，以及算法方面的提升。”
作為樂觀主義者的項金根表示，“IBM預估在兩年內實現量子計算實際應用，我估計也差不了太多。”他解釋道，有人計算過，當比特數達到200個以上，保真度達到99.9%，相干時間大于100微秒時，量子計算在實際應用場景下表現會優于經典計算機，具備應用價值。
“IBM實驗相干時間T1達288 微秒，T2達 127 微秒，已達到標準，比特數為127個，雖然保真度暫未達標，但其后面還有更優的芯片解決方案，很有可能達到實用場景標準。”
以下為對話實錄（經整理編輯）
搜狐科技：在您看來，IBM最新量子計算實驗研究主要解決了什么問題，取得了什么成果？
項金根：IBM用量子芯片Eagle模擬了一個Ising模型，演示了在100多個量子位的規模上，量子計算機可以產生精確的結果。證明了在量子態具有較大糾纏情況下，量子計算機的表現，優于一些廣泛采用的經典近似模擬算法，這些結果的獲得，得益于誤差緩解的實施。
另外，研究人員用誤差緩解模型降低了量子噪聲帶來的誤差，這些技術向大家展示帶噪聲的量子計算機未來是可以實現實際應用的。
搜狐科技：IBM研究團隊使用的“誤差緩解”方法廣受關注，您認為該方法是一項重大突破性技術嗎？
項金根：誤差緩解技術很早就有，之前在量子比特規模較小的實驗中也應用過，不能算是IBM這次的研究成果。這次引得關注的原因是，他們把這個技術用在了一個很大規模（127量子比特）的體系上，并且能運行成功，這算是一個比較重要的突破。
比特數越多的情況下，實驗復雜度越高，需要測量的次數也越多，如果沒有好的測控技術或芯片的話，還是比較難實現的。
搜孤科技：2019年，谷歌聲明“量子霸權”的概念，后被高校實驗結果推翻，這次IBM的實驗好似又重新證明了“量子霸權”概念的存在，您怎么看？
項金根：“量子霸權”實際上是一個動態的概念，當時在谷歌模擬電路采樣這個計算問題節點時，的確計算運行時間短得多，但后來又被一些改進后的經典算法推翻。
隨著量子比特數量的增加，保真度提高，意味著量子計算輸出結果的正確率也會有所提高，這時經典計算機再去模擬的話計算時間就會變長，量子計算的優越性就又回來了。
推翻概念其實不是很重要，因為量子計算會不斷發展，隨著比特數量更多、保真度更高，改進的經典算法還是跟不上量子計算的速度和精度。
IBM在較大規模量子比特的實驗環境下獲得了可靠的結果，加強解釋了谷歌提出的“量子霸權”概念。
搜孤科技：您認為量子計算當前處在哪一個發展階段？
項金根：量子計算已經超越了第一個階段，也就是量子優越性的階段。到了第二階段，人們最關心的是量子計算機什么時候能在實際應用場景下解決有用問題時擊敗經典計算機。
“有用問題”是指實際應用場景中有價值的問題，例如在藥物研發過程中完成計算仿真模擬任務，先模擬藥物分子的性質，再計算藥物分子能與蛋白質靶點結合的概率。
搜狐科技：如果想讓量子計算機真正實際應用，需要具備哪些條件？
項金根：第一是量子比特數量要更多，第二是保真度要得到提升，第三是相干時間也需要提升，這些是硬件方面的要求。另外還需提升處理量子噪聲的技術標準，以及算法方面的提升。
搜狐科技：您認為距離實現量子計算機實際應用的目標還需多長時間？
項金根：我是一個樂觀主義者，IBM預估在兩年內實現量子計算實際應用，我估計也差不了太多。
量子計算機可以實際應用的標準是，在實際應用場景下它的算力要高于經典計算機，只有解決問題計算效率高于經典計算機才說明有應用價值，反之則沒有。
有人計算過，從理論上來說，當比特數達到200個以上，保真度達到99.9%，相干時間大于100微妙時，量子計算在實際應用場景下表現會優于經典計算機，具備應用價值。
IBM實驗相干時間T1達288 微秒，T2達 127 微秒，比特數為127個，雖然保真度暫未達標，但其后面還有更優的芯片解決方案，很有可能達到實用場景標準。
搜狐科技：“量子糾錯”被公認為是實現可容錯通用量子計算的核心問題，也被認為是使量子計算機完全成為現實的一個必要步驟。“錯誤緩解”技術與“量子糾錯”技術聽起來很相似，為什么錯誤緩解技術很早就誕生了，但量子糾錯技術遲遲得不到實現呢？
項金根：量子糾錯與錯誤緩解是兩個不同的技術路徑，量子糾錯的定義是把所有的錯誤都糾正回來，實現零錯誤的容錯量計算，技術難度和復雜度要比錯誤緩解技術高，誤差緩解更像是一個用來過渡的技術，是一種緩兵之計。
量子糾錯的現階段難點在于，在現有的保真度條件下，糾錯代價很高。假設保真度是99%，要實現量子糾錯大概需要10萬個量子比特才能糾正一個比特，這明顯不現實，因為我們現在遠遠沒有這么多比特。
對于量子糾錯來說，量子比特數和量子保真度是兩個重要的參數指標，現在的情況是其中一個參數指標好了，另一個參數指標就下降了，難點在于如何實現“兩條腿走路”。
搜狐科技：如果量子計算得以實際應用了，能做哪些經典計算機難以做到的事呢？
項金根：從大的范圍來講，所有的計算都是等價的，輸入一個數字，通過計算輸出一個結果數字，不同的是計算過程。
經典計算是串行計算，一步一步計算，而量子計算天生帶有并行計算能力，可以實現多個任務同時計算。
首先，與量子力學相關的計算問題是經典計算機本來就解決不好的，但量子計算機很擅長。另外，例如制藥、化工材料、催化劑研究等涉及分子原子、化學反應等相關的計算問題都可以用量子力學來描述，此時量子計算機的效率會發揮到極致。
除了以上領域，量子計算得益于并行計算能力，在人工智能領域的應用也非常廣泛，例如加速人工智能領域中的模型計算。
這也就解釋了，當前AI領域研究為什么都優選GPU芯片而非CPU芯片，因為GPU具備并行計算單元，處理深度學習以及神經網絡模型更快，以后量子芯片也會在這方面扮演重要的角色。
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