在向未知世界研究的过程中,科学家们往往会获得意外的发现,意外的收获。

例如,贝尔在试验一种能够在同一条线路上传递多封电报的机器时偶然发明了电话;伦琴在做阴极射线管的常规试验时发明了X射线,因此于1901年获得首届诺贝尔物理学奖。

历史总是相似的,近日,IBM量子计算研究组Sergey 领导的研究团队在进行一项研究时,原本目标是研究 Clifford 群的结构特性,却意外的发现了新的量子优势,通过数学证明,在某些用例中,量子计算机的阈值超过了经典计算机。

 

无心插柳,IBM发现并证明了新的量子优势-量子客
图1 | IBM量子计算机(来源:IBM)

 

关于量子计算机超过经典计算机这一问题,行业里有一个词叫“量子霸权”来描述。IBM一直主张不以量子霸权来说事儿,而是采用量子优势来说明。

量子霸权对于IBM而言是尴尬的,在量子计算研究时间维度上来说,IBM在上世纪90年代就开始了量子计算的研究,虽起了个大早,但是赶了个晚集,被Google抢去了量子霸权的头彩。

该研究的预印本发布在arXiv 上,论文“Hadamard-free circuits expose the structure of the Clifford group[1]”展示了已知最小的计算下,对各自线路中的2(量子)比特门(量子计算与经典计算分别对应了量子比特和比特)进行计算,量子方法相较于经典的可逆计算机,其效率更高。这被称为白盒(White Box)量子优势。

 

无心插柳,IBM发现并证明了新的量子优势-量子客
图2 | 论文 (来源:arxiv)

 

“白盒”量子优势

 

“白盒”相较于“黑盒(Black Box)”式的量子优势,区别在于,黑盒不了解内部工作原理,而白盒是显式线路。黑盒算法通常涉及到发现由给定黑盒计算的函数的属性。

例如,在Bernstein-Vazirani算法中,可以通过单个查询,得到由黑盒计算出的隐藏线性函数,从而比最好的经典算法(其查询复杂度与黑盒的输入数目成线性关系)具有优势。

Sergey 团队通过使用线路,而不是算法,以更透明的方式展示了量子优势。量子线路是量子比特的有序指令序列,是量子计算的基本组成部分。当解决同一问题时,量子计算通过量子线路来表达解决方案所需的资源,相较于经典线路,所需的资源更少(例如使用的门的数量) ,这种能力决定了量子计算机优势的力量和程度。

论文中给出了计算量子优势的一个实例,利用7个双量子比特门的量子 Clifford 线路,可以更有效地实现最优的经典8门可逆线线路,这项工作扩展了之前关于量子优势的研究。

 

无心插柳,IBM发现并证明了新的量子优势-量子客
图3 | 量子线路 (来源:arxiv)

 

2018年,Sergey 和他的同事证明了,在量子计算机上,针对一些问题,即使增加输入量子比特的数量,也只需要一个固定的线路深度就可以解决。而同样的问题,当在经典计算机上增加输入比特数量时,电路深度则必须增大。这项研究首次证明了量子算法和经典算法之间的差距,并指出了量子算法(浅量子线路)比经典算法更强大。

新的研究成果补充了早期的结论, 2018年的论文集中在两者间计算的渐近性,只有当计算的复杂度很高时,二者之间的差距才更明显,而新的例子显示了两者明确的数值优势。

IBM Q的研究者表示,对量子优势的研究还在继续,通过寻找新的例子,研究其他类型的优势来增加对量子优势及其实现方式的理解,可以更好地了解何时应用量子计算机来解决特定的计算问题。

因为,解决大问题,是量子计算当前面临的“最大问题”。

 

参考文献:

[1] https://arxiv.org/abs/2003.09412

 

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编辑 |  Yan Ding      校对 |  Viky