IBM量子電腦超越古典電腦模擬能力，揭示量子優勢時代來臨

投注大量資源研發量子運算技術的IBM，近日其研究人員在科學期刊《自然》，發表了最新的量子運算研究成果，該公司使用127量子位元的IBM Quantum Eagle處理器，反覆進行複雜的物理模擬，並且取得一致且正確的答案，其精確度甚至超越古典電腦，研究人員表示，這是證明量子電腦可以勝過古典電腦的關鍵，同時也代表著人類正進入量子優勢（Quantum Advantage）時代。

過去科學家對量子電腦信心不足的原因，在於無法克服量子電腦系統中雜訊對模擬所產生的影響，也就是說，量子電腦的雜訊，可能會導致系統運算結果偏離真實數值。另外，科學家面臨的另一個課題是調整雜訊影響的方法，以及如何擴展這個方法，在具有更大量子位元的電腦中克服雜訊問題。

研究團隊發現脈衝延伸（Pulse Stretching）技術，可能是有效解決雜訊問題的方法，這個方法的中心思想是，先了解什麼是雜訊或是引起雜訊的原因，才可能進一步找到消除雜訊的方法。

所謂的脈衝，指得便是用來操作和控制量子位元的電磁脈衝，在進行量子計算時，必須使用特定的電磁脈衝來改變量子位元的狀態，或是進行疊加或是糾纏等更複雜的操作。

而脈衝延伸是藉由拉長電磁脈衝的時間長度，藉此放大控制系統中的雜訊。當操作的時間拉長到原先的兩倍，則預期的雜訊也會增加到原來的兩倍，如此科學家便更容易觀察和測量雜訊，以理解並消除雜訊的影響。

但是光靠脈衝延伸並無法達到理想的精確度，研究團隊也使用一種稱為機率錯誤消除（Probabilistic Error Cancellation）的方法，理解量子電腦硬體的基礎雜訊，創建雜訊代表模型，並藉由在系統中插入新的量子閘來控制雜訊，結合零雜訊外推法（Zero Noise Extrapolation，ZNE），更精確的操作和放大雜訊，應用後處理方法，外推出沒有雜訊影響應該得到的計算結果。

除了方法的改進，量子硬體的能力也對於解決錯誤有著關鍵性影響，一直到了當前127量子位元的IBM Quantum Eagle處理器，量子電腦才算真正有能力挑戰當前古典電腦的極限，並且取得更好的計算速度與結果。

IBM為了驗證自家量子電腦的研究，邀請柏克萊大學的研究人員，以古典電腦來驗證量子電腦的運算結果。對於較少的量子電路，仍可以用暴力計算法算出切確的答案，但是隨著量子位元的增加，量子電路複雜度就越來越高，古典電腦終究無法捕捉到足夠大的量子電路複雜性，因此柏克萊大學研究人員發展了張量網路狀態（Tensor Network State，TNS）方法，在暴力計算法失效時，仍可進行有效的模擬，只是可能會丟失部分資訊。

古典運算的部分在NERSC和普渡大學的超級電腦上進行，並比對量子電腦的計算結果，結果顯示，量子方法和古典方法結果一致，且隨著複雜度增加，當超過古典電腦所能夠提供精確答案的範疇，量子電腦仍可以計算出答案，雖然科學家已經無法證實該答案的正確性，但是經過前幾輪的實驗，科學家確信量子電腦的答案是正確的。

這項研究的重要性，在於證明量子優勢的存在，科學家要確認量子運算存在優勢，需要確認兩件事，第一是證明量子電腦可以勝過古典電腦，第二則是科學家必須找到能夠利用量子優勢解決的問題，並將這些問題映射到量子位元上。IBM的研究已經跨越了第一點，讓科學家對量子計算更加有信心，甚至可將量子電腦當作古典運算的驗證工具。