用于冷却 IBM Quantum Eagle（127 量子位量子处理器）的低温恒温器的内部视图。
尽管量子计算机在理论上可能会变得非常强大，但目前它们很容易出错，以至于它们的最终效用经常受到质疑。然而现在，IBM 认为，量子计算可能会比预期更早进入实用的新时代，其 127 量子位 Eagle 量子计算机有可能为有用的问题提供准确的结果，甚至超出了当今超级计算机所能解决的范围。
理论上，量子计算机可以找到经典计算机需要亿万年才能解决的问题的答案。量子计算机连接在一起的组件（称为量子位或量子位）越多，它可以以指数方式执行的基本计算（称为量子门）就越多。
“这些方法可以应用于其他更通用的电路。”—Kristan Temme，IBM
量子计算机面临的关键问题是，它们非常容易受到最轻微干扰的破坏。当今最先进的量子计算机通常每 1,000 次操作大约会出现一个错误，并且许多实际应用要求错误率降低十亿倍或更多。
科学家们希望有一天能够建造出所谓的容错量子计算机，它可以拥有许多冗余的量子位。这样，即使一些量子位发生故障，量子纠错技术也可以帮助量子计算机检测并解释这些错误。
然而，现有的量子计算机是所谓的噪声中尺度量子（NISQ）平台。这意味着它们的错误太多，并且拥有的量子位太少，无法成功运行量子纠错技术。
尽管量子计算目前还处于早期阶段，但谷歌和其他公司之前的实验声称，量子计算机可能已经进入了相对于典型计算机的“量子优势”、“量子优先”或“量子霸权”时代。批评者则认为，此类测试仅表明量子计算机能够在人为问题上超越经典计算机。因此，量子计算机目前是否足够好以证明有用仍然存在激烈争论。
现在，IBM透露，其 Eagle 量子处理器可以准确地模拟普通计算机难以模拟超过一定复杂程度的物理现象。该公司表示，这些模拟不仅对研究人员有实际用途，而且他们开发的方法还可以应用于当今在量子机器上运行的其他类型的算法。
在实验中，研究人员使用IBM的量子计算机对材料中电子自旋的动力学进行建模，以预测其属性，例如磁化强度。这一模型是科学家们很好理解的模型，使研究人员更容易验证量子计算机结果的正确性。
“重要的是，我们的方法并不局限于这个特定的模型，”该研究的合著者 Kristan Temme 说道，他是位于纽约约克敦高地的 IBM 托马斯·J·沃森研究中心的量子物理学家。“这些方法可以应用于其他更通用的电路。”
该图表显示了量子计算机与最先进的经典近似方法的性能对比，以及针对一系列日益具有挑战性的计算问题的精确经典“蛮力”方法
与此同时，加州大学伯克利分校的科学家在经典超级计算机上进行了这些模拟的版本，以比较量子计算机的性能。他们使用了两套技术。蛮力模拟提供了最准确的结果，但也需要太多的处理能力来模拟大型、复杂的系统。另一方面，近似方法可以估计大型系统的答案，但事实证明，系统越大，它们的准确度就越低。
该图表比较了量子计算机与经典近似方法的性能，超出了精确的经典“蛮力”方法的能力
在最大规模的研究中，量子计算机的速度大约是经典近似方法的三倍，在 9 个小时内找到答案，而需要 30 个小时。更重要的是，研究人员发现，随着模型规模的增加，量子计算机与经典的蛮力模拟，而经典的近似方法变得不太准确。
“我们在这项工作中所做的就是证明我们可以大规模运行量子电路并获得正确的结果，这一直受到质疑，许多人认为这在当前的设备上不可行， ”特梅说。
当比较显示量子结果与经典近似方法不一致时，“我们最初认为实验犯了一个错误，”特姆说。他补充道，“后来得知”量子计算机匹配的是经典的强力模拟而不是经典的近似方法，这真是令人惊讶。
“我们希望这将导致方法之间的反复，而量子计算机最终将获胜。”—Kristan Temme，IBM
科学家们进行了测试，其中 127 个量子位运行 60 个步骤的 2,880 个量子门，生成了结果。他们指出，量子计算机理论上可以用 68 个量子位完成的任务已经超出了经典强力模拟的计算能力。尽管研究人员无法证明量子计算机在使用超过 68 个量子位时提供的答案是否正确，但他们认为，它在之前运行中的成功让他们相信它是正确的。
IBM 科学家警告说，他们并没有声称他们的量子计算机比经典计算更好。他们说，未来的研究可能很快就会发现，普通计算机可能会为这些实验中使用的计算找到正确的答案。
“我们希望这将导致不同方法之间的反复，而量子计算机最终将获胜，”特姆说。
无论如何，即使量子计算机没有完全超越经典计算机，但这些新发现表明它们仍然可能对解决普通计算机认为异常困难的问题有用。IBM 研究院高级副总裁兼主任 Darío Gil 在一份声明中表示，这表明我们现在可能正在进入量子计算实用的新时代。
IBM 指出，其量子硬件比以前表现出更稳定的量子位和更低的错误率。然而，新发现依赖于 IBM 所谓的“量子误差缓解”技术，该技术检查量子计算机的输出，以解释和消除其电路所经历的噪声。
IBM 在新研究中使用的量子误差缓解策略是零噪声外推法，即在量子处理器可能从其环境中经历的不同噪声水平下重复量子计算。这有助于研究人员推断量子计算机在没有噪声的情况下会计算什么。
“最终，我们希望拥有一台容错的量子计算机。长期方向必须是将这些结果一直连接到我们可以使用量子纠错的程度。”—Kristan Temme，IBM
“我们的硬件和错误缓解方法现在都达到了可以用来开始实施过去五到十年内提出的所有近期算法中的绝大多数的水平，看看哪种算法实际上提供了实践中的量子优势，”Temme 说。
零噪声外推法的一个缺点是它确实需要量子计算机多次运行其电路。“对于我们在这里使用的零噪声外推法，我们需要在三种不同的噪声水平下运行相同的实验，”Temme 说。“这是计算中每个数据点都必须付出的成本——也就是说，每次我们使用处理器时。”
IBM 指出，这些新发现代表了这种规模的量子错误缓解的早期结果。“我们认为这些方法仍有很大的改进空间，”特姆说。他补充说，未来的研究还可以测试量子误差缓解是否可以像该公司希望的那样普遍应用于除这一模型之外的其他类型的量子应用。
IBM 表示，其在云端和日本、德国和美国合作伙伴现场运行的量子计算机明年将由至少 127 个量子位提供支持。
“最终，我们希望拥有一台容错的量子计算机，”特姆说。“长期的方向必须是将这些结果一直连接到我们可以使用量子纠错的程度。我们预计这将推动硬件开发，每个组件方面的改进现在都转化为可以运行的更复杂的计算，从而更顺利地过渡到容错设备。”
