儘管量子計算機的性能在穩步提高，但它們仍然噪音大、容易出錯，導致結果有問題或不正確。科學家們預計，在研究人員能夠充分糾正糾纏量子比特（或稱量子比特）所產生的錯誤之前，量子計算機至少要在五年或十年內才能真正超越當今的”經典”超級計算機。

冷卻IBM Eagle 的低溫恆溫器的內部視圖，包含127 個量子比特，可以作為科學工具來探索經典方法可能無法解決的新規模問題。資料來源：IBM Research

不過，最近的一項研究表明，即使沒有強大的糾錯能力，也有辦法減少誤差，使量子計算機在當今世界發揮重要作用。紐約IBM 量子公司的研究人員與加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室的合作者在《自然》雜誌上報告說，他們將一台127 量子比特的量子計算機與一台最先進的超級計算機進行了比較。至少在一項特定的計算中，量子計算機的性能超過了超級計算機。研究人員之所以選擇這項計算，並不是因為它對經典計算機特別具有挑戰性，而是因為它類似於物理學家經常進行的計算。重要的是，計算的複雜程度可以提高，以測試目前噪聲大、易出錯的量子計算機能否為特定類型的普通計算提供精確結果。量子計算機在計算變得越來越複雜的過程中產生了可驗證的正確解，而超級計算機算法卻產生了錯誤答案，這一事實給人們帶來了希望，即採用減少錯誤的量子計算算法，而不是更困難的糾錯算法，可以解決尖端物理問題，如了解超導體和新型電子材料的量子特性。加州大學伯克利分校研究生、該研究合著者薩簡特-阿南德（Sajant Anand）說：”我們正在進入這樣一個階段：量子計算機可能能夠完成目前經典計算機算法無法完成的事情。”IBM量子公司量子理論與能力高級經理薩拉-謝爾頓（Sarah Sheldon）補充說：”我們可以開始將量子計算機視為研究問題的工具，否則我們就無法研究這些問題。”反過來說，量子計算機對經典計算機的勝利可能會激發新的想法，以增強目前經典計算機上使用的量子算法，加州大學伯克利分校物理學副教授、托馬斯和艾莉森-施耐德物理學講座教授邁克爾-扎萊特爾（Michael Zaletel）說：”在研究過程中，我非常確信經典方法會比量子方法做得更好。因此，當IBM 的零噪聲外推版本比經典方法做得更好時，我百感交集。但是，思考量子系統是如何工作的，實際上可能會幫助我們找出處理問題的正確經典方法。雖然量子計算機做到了標準經典算法所做不到的事情，但我們認為這對改進經典算法是一個啟發，以便將來經典計算機能像量子計算機一樣運行良好。”增強噪聲以抑制噪聲IBM 量子計算機看似優勢的關鍵之一是量子錯誤緩解，這是一種處理量子計算噪音的新技術。自相矛盾的是，IBM 的研究人員可控地增加量子電路中的噪聲，從而得到噪聲更大、更不准確的答案，然後向後推斷計算機在沒有噪聲的情況下會得到的答案。這依賴於對影響量子電路的噪聲的充分了解，以及對噪聲如何影響輸出的預測。之所以會出現噪聲問題，是因為IBM 的量子比特是敏感的超導電路，代表二進制計算中的0 和1。當量子比特糾纏在一起進行計算時，熱量和振動等不可避免的干擾會改變糾纏，從而帶來誤差。糾纏程度越高，噪聲的影響就越大。此外，作用於一組量子比特的計算會在其他未參與計算的量子比特中引入隨機誤差。額外的計算會加劇這些錯誤。科學家們希望利用額外的量子比特來監測這些錯誤，以便對其進行糾正，這就是所謂的容錯糾錯。但是，實現可擴展的容錯是一項巨大的工程挑戰，對於數量越來越多的量子比特來說，容錯是否可行還有待驗證，Zaletel 說。取而代之的是，IBM 工程師提出了一種被稱為零噪聲外推法（ZNE）的誤差緩解策略，即利用概率方法可控地增加量子設備上的噪聲。根據一名前實習生的建議，IBM 研究人員找到了阿南德、博士後研究員吳艷濤和Zaletel，請他們幫助評估使用這種誤差緩解策略所獲得結果的準確性。Zaletel 開發了超級計算機算法來解決涉及量子系統的困難計算，例如新材料中的電子相互作用。這些算法採用張量網絡模擬，可直接用於模擬量子計算機中相互作用的量子比特。Cori 於2017 年推出，是Cray XC40 系列中的一個型號，擁有約30 petaflops 的驚人峰值性能，穩居當時全球超級計算機的第五位。它配備了2388 個英特爾至強”Haswell”處理器節點、9,688 個英特爾至強Phi”Knight’s Landing”節點和1.8 PB 的Cray Data Warp Burst Buffer 固態設備，它的名字是為了紀念著名的生物化學家Gerty Cori。值得一提的是，Gerty Cori 是第一位獲得諾貝爾科學獎的美國女性，也是諾貝爾生理學或醫學獎的首位女性獲得者。Cori 超級計算機於2023 年5 月31 日退役。資料來源：伯克利實驗室量子與經典：實驗在幾週的時間裡，IBM Quantum 的Youngseok Kim 和Andrew Eddins 在先進的IBM Quantum Eagle 處理器上運行了越來越複雜的量子計算，然後Anand 在伯克利實驗室的Cori 超級計算機和Lawrencium 集群以及普渡大學的Anvil 超級計算機上使用最先進的經典方法嘗試了同樣的計算。當量子鷹於2021 年推出時，它擁有所有量子計算機中數量最多的高質量量子比特，似乎超出了經典計算機的模擬能力。事實上，在經典計算機上精確模擬所有127 個糾纏的量子比特需要天文數字的內存。量子態需要用127 個獨立數字的2 的冪來表示。也就是1 後面跟38 個零；一般計算機可以存儲約1000 億個數字，少了27 個數量級。為了簡化問題，阿南德、吳和扎萊特爾使用了近似技術，使他們能夠在經典計算機上以合理的時間和成本解決這個問題。這些方法有點像jpeg 圖像壓縮，即在可用內存的限制下，去掉不那麼重要的信息，只保留獲得準確答案所需的信息。Anvil 超級計算機是一台功能強大的超級計算機，可提供先進的計算能力，支持各種計算和數據密集型研究。資料來源：普渡大學阿南德證實了量子計算機在不太複雜的計算中結果的準確性，但隨著計算深度的增加，量子計算機的結果與經典計算機的結果出現了偏差。對於某些特定參數，阿南德能夠簡化問題併計算出精確解，從而驗證量子計算結果優於經典計算機計算結果。在所考慮的最大深度上，雖然沒有精確的解，但量子和經典結果卻不一致。研究人員提醒說，雖然他們無法證明量子計算機對最難計算的最終答案是正確的，但”老鷹”在前幾次運行中取得的成功讓他們確信這些答案是正確的。”量子計算機的成功並非偶然。它實際上適用於整個電路家族，”扎萊特爾說。友好競爭與未來展望雖然扎萊特爾對預測這種減少錯誤的技術是否適用於更多的量子比特或更深入的計算持謹慎態度，但他說，這些結果還是鼓舞人心的。他說：”這激發了一種友好競爭的感覺，我認為我們應該能夠在經典計算機上模擬他們正在做的事情。但我們需要用一種更聰明、更好的方式來思考這個問題–量子設備正處於一個表明我們需要不同方法的階段。”一種方法是模擬IBM 開發的ZNE 技術。阿南德說：”現在，我們要問的是，我們能否將同樣的誤差緩解概念應用到經典張量網絡模擬中，看看能否獲得更好的經典結果。這項工作讓我們有能力使用量子計算機作為經典計算機的驗證工具，這顛覆了通常的做法。”