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        量子计算机有潜力加快计算速度、帮助设计新药、破解密码和发现奇异的新材料——但这只有在它们真正发挥作用时。

         阻碍的一件关键因素是：在量子机器上计算过程中产生的噪声或错误——事实上，这使得它们的功能不如经典计算机——直到最近。

         Daniel Lidar，维特比工程教授职位持有者和电气与南加州大学维特比工程学院的计算工程一直在迭代量子纠错，并且在与南加州大学和约翰霍普金斯大学的合作者一起进行的一项新研究中，已经能够使用两台 127 量子比特的 IBM Quantum Eagle 处理器驱动的量子计算机在云上展示量子指数扩展优势。 论文“Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem”发表在APS旗舰期刊Physical Review X上。

         “之前已经演示过更温和的加速类型，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显着的加速类型。

         Lidar 说，量子计算的关键里程碑一直是证明，相对于普通的“经典”计算机，我们可以以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 倍的速度做事。 “相反，随着你通过包含更多变量来增加问题的大小，量子性能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。 先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，激光雷达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例子，理论上可以无条件地比任何经典算法以指数级的速度解决任务。

         Simon 的问题涉及在数学函数，被认为是所谓的 Shor 分解算法的前身，该算法可用于破解代码并启动了整个量子计算领域。 西蒙的问题就像一个猜谜游戏，玩家试图猜测一个只有游戏主机知道的秘密数字（“神谕”）。 一旦玩家猜出两个神谕返回的答案相同的数字，秘密数字就会被揭示出来，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，团队是如何实现指数级加速的呢？ 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号码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的 1 的数量）。 这导致量子逻辑运算比其他方式所需的量子逻辑运算更少，从而减少了错误积累的机会。

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

         第三，也是最关键的是，研究人员应用了一种称为“动态解耦”的方法，这意味着应用仔细的序列设计脉冲，将量子计算机内量子比特的行为与嘈杂的环境分离，并使量子处理保持在正轨上。 动态解耦对它们证明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”，这是一种发现并纠正由于算法结束时测量量子比特状态的缺陷而导致动态解耦后留下的某些误差的方法。

         说Lidar 也是南加州大学多恩西夫文理学院的化学和物理教授，“量子计算社区正在展示量子处理器如何开始在有针对性的任务中超越经典处理器，并正在进入经典计算根本无法达到的领域。 表明今天的量子计算机已经牢牢地站在了规模化量子优势的一边。

         他补充说，通过这项新研究，性能分离无法逆转，因为我们所展示的指数级加速是第一次无条件的。 换句话说，量子性能优势越来越难以争议。

         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，在量子计算机声称已经解决了实际的现实世界问题之前，还有很多工作要做。

         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方面取得重大进展。 尽管如此，量子计算机之前提供指数级加速的“纸面承诺”现在已经得到坚定的证明。

         披露：南加州大学是 IBM 量子创新中心。 量子元素公司 是 IBM Quantum Network 中的一家初创公司。