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        量子计算机有可能加速计算，帮助设计新药、破解密码和发现奇特的新材料——但前提是它们真正发挥作用。

         一个阻碍因素：噪声或在量子机器上计算时产生的错误——事实上，这使得它们不如经典计算机强大——直到最近。

         Daniel Lidar，Viterbi工程教授和电气与教授南加州大学 Viterbi 工程学院的计算工程一直在迭代量子纠错，在一项新研究中，它与南加州大学和约翰霍普金斯大学的合作者一起，已经能够使用两台 127 量子比特 IBM Quantum Eagle 处理器驱动的量子计算机在云端展示量子指数扩展优势。 这篇论文，“阿贝尔隐子群问题的算法量子加速演示”，发表在 APS 旗舰期刊 Physical Review X 上。

         “以前已经演示了更适度的加速类型，例如多项式加速，”Lidar 说，他也是 Quantum Elements， Inc. 的联合创始人。但指数级加速是我们期望从量子计算机中看到的最引人注目的加速类型。

         Lidar 表示，量子计算的关键里程碑一直是证明我们可以以相对于普通“经典”计算机的扩展速度执行整个算法。

         他澄清扩展加速并不意味着您可以以 100 倍的速度完成工作。 “相反，随着你通过包含更多变量来增加问题的大小，量子和经典性能之间的差距会不断扩大。 指数级加速意味着每增加一个变量，性能差距就会大约翻倍。 此外，我们展示的加速是无条件的。

         Lidar 解释说，加速“无条件”的原因是它不依赖于任何未经证实的假设。 以前的加速声明需要假设没有更好的经典算法来对量子算法进行基准测试。 在这里，由 Lidar 领导的团队使用他们为量子计算机修改的算法来解决“西蒙问题”的变体，这是量子算法的早期示例，理论上可以无条件地以比任何经典算法快得多的速度解决任务。

         Simon 的问题涉及在数学函数，被认为是 Shor 分解算法的前身，该算法可用于破解密码并启动了整个量子计算领域。 Simon 的问题就像一个猜谜游戏，玩家试图猜出一个只有游戏主机知道的秘密数字（“神谕”）。 一旦玩家猜出两个数字，而 oracle 返回的答案相同，则会显示秘密数字，该玩家获胜。 量子玩家可以赢得这场比赛比经典播放器快得多。 那么，该团队是如何实现指数级的加速的呢？ 南加州大学博士研究员兼第一作者 Phattharaporn Singkanipa 说：“关键是从硬件中榨取每一盎司的性能：更短的电路、更智能的脉冲序列和统计误差缓解。

         研究人员通过四种不同的方式实现了这一点：

         首先，他们通过限制允许的秘密数字数量来限制数据输入（从技术上讲，通过限制秘密数字集的二进制表示中 1 的数量）。 这导致量子逻辑作少于其他方式所需的量子逻辑作，从而减少了错误累积的机会。

         其次，他们使用一种称为转译的方法尽可能多地压缩了所需的量子逻辑运算的数量。

         第三，也是最关键的，研究人员应用了一种称为“动态解耦”的方法，这意味着仔细应用设计脉冲，将量子计算机中量子比特的行为从其噪声环境中分离出来，并保持量子处理正常进行。 动力学解耦对他们展示量子加速的能力产生了最显着的影响。

         最后，他们应用了“测量误差缓解”，这是一种查找并纠正由于在算法结束时测量量子比特状态的缺陷而在动态解耦后遗留的某些错误。

         说Lidar 也是南加州大学 Dornsife 文理学院的化学和物理学教授，“量子计算界正在展示量子处理器如何开始在目标任务中超越经典处理器，并正在进入经典计算根本无法触及的领域。 表明今天的量子计算机已经坚定地站在了扩展量子优势的一边。

         他补充说，通过这项新研究，性能分离无法逆转，因为我们展示的指数加速首次是无条件的。 换句话说，量子性能优势正变得越来越难以争论。

         下一步：

         激光雷达警告说，“除了赢得猜谜游戏之外，这一结果没有实际应用，在可以声称量子计算机已经解决了实际的现实问题之前，还有更多的工作要做。

         这将需要展示不依赖于提前知道答案的“预言机”的加速，并在进一步降低越来越大的量子计算机中的噪声和退相干的方法上取得重大进展。 尽管如此，量子计算机之前提供指数级加速的“纸面上承诺”现在已经得到了有力的证明。

         披露：USC 是 IBM Quantum 创新中心。 量子元件公司 是 IBM Quantum Network 中的一家初创公司。