转变量子优势：IBM 的 Jay Gambetta 谈无缝集成量子计算和经典计算

全球各地的公司和研究实验室都在努力将新兴的量子技术从实验室推向现实世界，其中美国科技巨头 IBM 是其中的关键参与者。今年XNUMX月， IBM Quantum 公布最新路线图 对于未来十年量子计算的未来，该公司制定了一些雄心勃勃的目标。宣布其 去年拥有 127 个量子位（qubit）的 Eagle 处理器， 公司是 目前正在开发 433 量子位 Osprey 处理器 将于今年晚些时候首次亮相，随后将于 2023 年推出 1121 量子位 Condor。

但除此之外，该公司表示，游戏将转向将此类处理器组装成模块化电路，其中芯片通过稀疏的量子或经典互连连接在一起。这项努力将在 4158 年实现他们所称的 2025 量子比特 Kookaburra 设备。在此之后，IBM 预测模块化 具有 100,000 个或更多量子位的处理器，能够在没有错误的情况下进行计算，而目前，量子计算的问题在于寻找量子位噪声的解决方法。通过这种方法，该公司的量子计算团队有信心能够实现普遍的“量子优势”，即量子计算机将始终优于经典计算机，并进行超出经典设备手段的复杂计算。

当他在伦敦前往 28th 布鲁塞尔索尔维会议，解决了量子信息问题， 物理世界 追上了物理学家 杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）IBM Quantum 副总裁。甘贝塔在过去二十年中引领了公司的大部分进步，他解释了如何实现这些目标以及它们对量子计算的未来意味着什么。

IBM Quantum 目前的技术水平如何？您关注的一些关键参数是什么？

IBM 路线图是关于扩大规模——不仅仅是量子位的数量，还有它们的速度、质量和电路架构。现在，Eagle 处理器的相干时间（量子位保持相干并能够执行量子计算的持续时间）为 300 微秒（1 年约为 2010 微秒），下一代设备将达到 300 毫秒。我们的量子位（由超导金属制成）现在具有近 99.9% 的保真度（每 1000 次操作仅发生一次错误 - 错误率为 10） ^{- 3}]。我认为到明年年底 99.99% 也不是不可能的。

那么，量子计算机成熟度的最终试金石是量子运行时是否可以与经典运行时竞争

但明智地做事将变得比仅仅推动原始指标更重要。处理器架构变得越来越重要。我认为每个芯片的量子比特数不会超过 1000 个（就像 Condor 一样），所以现在我们正在考虑模块化。这样，我们就可以在本世纪末实现 10,000 个量子位的处理器。我们将使用芯片之间的经典通信（以控制电子设备）和产生某种纠缠（以执行计算）的量子通道。这些芯片间通道将会很慢——可能比电路本身慢 100 倍。而且频道的保真度很难达到95%以上。

对于高性能计算，真正重要的是最大限度地减少运行时间，即最大限度地减少为感兴趣的问题生成解决方案所需的时间。量子计算机成熟度的最终试金石是量子运行时能否与经典运行时竞争。我们已经开始从理论上证明，如果你有一个想要运行的大电路，并将其分成更小的电路，那么每次进行切割时，你都可以认为它会产生经典成本，这会增加运行时间呈指数级增长。因此，我们的目标是使指数增长尽可能接近 1。

对于给定的电路，运行时间以指数方式取决于 我们称之为 γ̄ 的参数 提升到权力 nd，其中 n 是量子位的数量， d 是深度[电路输入和输出之间最长路径的度量，或者等效地是电路运行所需的时间步数]。因此，如果我们能让 b γ̄ 尽可能接近 1，我们就能达到真正的量子优势：运行时不会呈指数增长。我们可以通过提高相干性和门保真度[固有错误率]来降低 γ̄。最终我们将达到一个临界点，即使错误缓解的开销呈指数级增长，我们也可以获得比传统计算机更好的运行时优势。如果您可以将 γ̄ 降低至 1.001，则运行时间比传统模拟这些电路要快。我相信我们可以做到这一点 - 通过提高门保真度和抑制量子位之间的串扰，我们已经在 Falcon r1.008 [10 量子位] 芯片上测得 γ̄ 为 27。

如何进行这些改进以减少错误？

为了提高保真度，我们采用了一种称为概率错误消除的方法[arXiv:2201.09866]。我们的想法是，您向我发送工作负载，我将向您发送处理后的结果以及对它们的无噪声估计。你说我希望你来运行这个电路；我描述了系统中所有噪声的特征，并进行了多次运行，然后将所有这些结果一起处理，以便为您提供电路输出的无噪声估计。通过这种方式，我们开始表明，从今天的错误抑制和错误缓解到完全错误纠正，可能存在一个连续体。

那么您可以在不构建完全纠错逻辑量子位的情况下实现这一目标吗？

逻辑量子位到底是什么？人们这么说到底是什么意思？真正重要的是：你能否运行逻辑电路，以及如何以运行时间始终变得更快的方式运行它们？我们不是考虑构建逻辑量子位，而是考虑如何运行电路并为用户提供答案的估计，然后通过运行时间对其进行量化。

当您进行正常的纠错时，您会纠正您认为到那时为止的答案。您更新参考系。但我们将通过错误缓解来实现错误纠正。当 γ̄ 等于 1 时，我将有效地进行纠错，因为没有任何开销可以按照您的意愿改进估计值。

这样，我们将有效地拥有逻辑量子位，但它们将被连续插入。所以我们开始在更高的层面上思考它。我们的观点是，从用户的角度来看，创建一个越来越快的连续体。那么，量子计算机成熟度的最终试金石是量子运行时是否可以与经典运行时竞争。

这与其他量子公司正在做的事情非常不同，但如果这没有成为普遍观点，我会感到非常惊讶——我打赌你会开始看到人们比较运行时间，而不是纠错率。

我们所做的只是一般计算，我们通过量子处理器来增强它

如果你制造具有经典连接的模块化设备，这是否意味着未来不是真正的量子与经典，而是量子 和 古典？

是的。将经典和量子结合在一起将使您能够做得更多。这就是我所说的量子剩余：使用量子资源以智能方式进行经典计算。

如果我能挥舞魔杖，我不会称其为量子计算。我想说的是，我们所做的实际上只是一般的计算，我们正在通过量子处理器来增强它。我一直在使用“以量子为中心的超级计算”这个口号。这实际上是通过添加量子来增强计算能力。我真的认为这将是架构。

有哪些技术障碍？比如说，这些设备需要低温冷却有什么关系吗？

这其实没什么大不了的。更重要的是，如果我们继续我们的路线图，我担心电子产品及其周围所有东西的价格。为了降低这些成本，我们需要开发一个生态系统；作为一个社区，我们在创造这种环境方面仍然做得不够。我没有看到很多人只关注电子产品，但我认为这将会发生。

现在所有的科学都已经完成了吗，所以现在更多的是工程问题吗？

总是有科学可做，特别是当你绘制从错误缓解到错误纠正的路径时。您想在芯片中构建什么类型的连接？有哪些联系？这些都是基础科学。我认为我们仍然可以将错误率降低到 10^-5。就我个人而言，我不喜欢给事物贴上“科学”或“技术”的标签；我们正在打造一项创新。我认为这些设备肯定会转变为工具，问题变成了我们如何将这些东西用于科学，而不是关于创建工具的科学。

您担心可能存在量子泡沫吗？

不，我认为量子优势可以分为两部分。首先，如何在量子硬件上更快地运行电路？我相信我可以对此做出预测。其次，您如何实际使用这些电路并将它们与应用程序联系起来？为什么基于量子的方法比单独的经典方法效果更好？这些都是非常困难的科学问题。这些都是高能物理学家、材料科学家和量子化学家都感兴趣的问题。我认为肯定会有需求——我们已经看到了。我们看到一些商业企业也对此产生了兴趣，但需要一段时间才能找到真正的解决方案，而不是把量子作为科学研究的工具。

我认为这是一个平稳的过渡。一个巨大的潜在应用领域是具有某种结构类型的数据的问题，尤其是很难以经典方式找到相关性的数据。金融和医学都面临着这样的问题，而量子机器学习等量子方法非常擅长发现相关性。这将是一条漫长的道路，但对他们来说这是值得的投资。

如何保持计算安全，抵御诸如 Shor 分解算法之类的攻击？该算法利用量子方法来破解基于分解的当前公钥加密方法？

每个人都希望能够免受 Shor 算法的影响——它现在被称为“量子安全”。我们对算法进行了大量的基础研究，但如何构建它将成为一个重要的问题。我们一直在研究将其构建到我们的产品中，而不是作为附加组件。我们需要问如何确保我们拥有对量子安全的经典基础设施。在接下来的几年里，未来如何发展将非常重要——如何从头开始构建量子安全硬件。

我对成功的定义是大多数用户甚至不知道他们正在使用量子计算机

您对量子计算的发展速度感到惊讶吗？

对于像我这样自 2000 年以来一直深陷其中的人来说，它所遵循的道路非常接近预测的道路。我记得回顾 2011 年的 IBM 内部路线图，它非常准确。我当时以为我在编造事情！总的来说，我觉得人们似乎高估了需要多长时间。随着我们变得越来越先进，人们将量子信息思想带入这些设备，在接下来的几年里，我们将能够运行更大的电路。然后就是你需要构建什么类型的架构、集群有多大、使用什么类型的通信渠道等等。这些问题将由您正在运行的电路类型驱动：我们如何开始为某些类型的电路构建机器？将会有电路的专业化。

2030 年量子计算会是什么样子？

我对成功的定义是，大多数用户甚至不知道他们正在使用量子计算机，因为它内置于与经典计算无缝协作的架构中。衡量成功的标准是，大多数使用它的人看不到它，但它在某种程度上改善了他们的生活。也许您的手机将使用一个使用量子计算机进行估计的应用程序。到 2030 年，我们不会达到那个水平，但我认为到那时我们将拥有非常大的机器，它们将远远超出我们传统的能力。