Science｜量子计算机的首次性能测评，IBM成绩落后

选自Science

作者：Gabriel Popkin

机器之心编译

参与：李泽南、蒋思源

在一项新研究中，两种使用完全不同技术的量子计算机在同一个算法任务中进行了对决。结果显示，其中一种更加可靠，而另一种运算速度更快。但科学家们认为，这项研究最重要的意义在于：第一次有人在完全相同的任务场景中对不同种类的量子计算机进行了比较。读者可点击阅读原文下载此论文。

「量子计算机技术一直没有发展成熟。长久以来，我们一直不能真正地把两个只含有五个量子比特的原型机拿来进行性能对比，」牛津大学的物理学家 Simon Benjamin 说道。「最近这一研究的出现证明了量子计算技术又前进了一步。」

在这项研究中，其中一台计算机来自马里兰大学的 Chris Monroe 团队（ionQ），该机器使用五个镱离子，以电磁阱和激光进行操纵。另一台计算机来自于 IBM，它的核心是五个超导金属环路，通过微波信号操控。IBM 的计算机也是目前世界上唯一一种可以由普通用户进行在线编程的量子计算机。

这两种计算机都不具备堪比普通架构计算机的运算性能，但它们都证明了量子计算的思路具有可行性。量子计算机的基本位——量子比特的表示不像普通计算机只有 0 或 1，它多出了一种「叠加态」，可以同时是 0 和 1。在 Monroe 的量子计算机里，每个量子比特都由一个离子代表，其中电子的能级可以用来表示 0、1 或「叠加态」三种状态。而在 IBM 的超导环路中，电流可以以两种不同的强度循环，或同时在两种强度上循环——这也构成了量子计算的三种状态。在目前的基础上，量子计算机可以叠加更多的量子比特，由于原理上的先进性，量子计算机具有超越普通架构的潜力。

但量子位的状态是脆弱的，来自外界的扰动可以轻易地让叠加态坍缩回 0 或 1。因此在运行时，量子计算机必须能够小心地保证叠加态能够存在一段时间。在研究人员的测试中，这两台量子计算机都具有大约 97% 的双量子比特「门精度」——成功计算双量子比特逻辑运算的概率，这意味着它们仍然难以用于执行现实世界的任务。

（a）：IBM 的超导环路系统；（b）：马里兰大学的镱离子系统。

为了测试设备的性能，Monroe 研究团队在每个设备上运行一组标准化算法，并对比其输出结果。离子计算机（The ion computer）在每一个测试中都能得到更正确的答案。而对于特定训练，对比非常具有戏剧性：离子计算机能达到 77.1% 的成功率，而超导计算机（the superconducting computer）的成功率仅仅只有 35.1%。科学家上一周在 arXiv 上发表了对比结果。

Monroe 认为，这种性能差异并不是从量子比特本身而引发的，这些差异是从连接量子比特的方法而来。在 Monroe 的架构中，每一个离子都能和其他任何一个离子产生交互，所以很多任务所需要的操作次数大大降低了，且叠加态（superposition）崩溃的机会也会相应降低。相比之下，IBM 计算机每四个超导回路连接一个中枢，所以超导计算机需要额外的操作在回路之间交换信息。因为没有任何操作是 100% 可靠的，所以整体的成功率就随着操作次数的增加而降低。「连通性是关键，」Monroe 说道。

物理学家 Jerry Chow 领导着 IBM 的量子计算研究团队，他们的实验室位于纽约公司的 Yorktown Heights。他认同 Monroe 对于连接性的看法。但是他认为 IBM 计算机的量子比特叠加态会持续更长时间且更加「连贯」，这也就意味着从长远角度来看，计算机较低的连接性不一定会拖累它的整体的可靠性。他指出「如果有足够的连贯性，那么算法全部操作的时间就变得不那么重要了。」他还指出 IBM 的在线计算机现在比 Monroe 团队测试时拥有更多的量子比特连接，这将使得超导计算机的性能很可能至少是接近于离子计算机的。目前，上述两个实验室正在开发更可靠、拥有更多量子比特的下一代设备。

Benjamin 认为，该研究对比了两种通向量子计算这一「超前」方法的「原始形式」。由超导环路或离子构成的实用型量子计算机需要成千上万的量子位，并且这些量子位之间的互联网络会变得更加复杂。他认为，即使离子计算机目前拥有更高的可靠性，超导计算机理论上还是运行地更快。IBM 量子计算机在 250 到 450 纳秒内就能完成一个双量子比特的操作，这比离子计算机快了 1000 倍。

该研究同样为量子软件开发者（如微软研究员 Krysta Svore）提供了新思路。理解量子计算机的特定架构如何影响未来优化算法的性能是很重要的，这将是开启实用量子计算的第一步。

• 论文：Experimental Comparison of Two Quantum Computing Architectures

摘要：我们在两个目前最先进，但架构不同的 5 量子比特的计算机上运行了一系列算法。一种是具有有限连接性的超导转导装置——它可以被公众接触（IBM），另一种是完全连接的离子阱系统（ionQ）。即使两种系统的量子交互方式不同，但它们仍可以在对底层硬件不知情的情况下进行编程，这允许了我们对不同的物理系统进行相同的量子算法硬件性能对比。我们的实验表明，更具连通性的量子比特系统显然能使算法运算速度更快。虽然目前的量子系统还不够强大，无法匹敌常规架构的计算机，但本实验揭示了量子计算机未来发展需要解决的重要问题，如量子比特连通性与门表达性。此外，我们的实验结果也显示，为特定的硬件架构设计专有优化的量子应用是未来量子计算机成功的最重要因素。