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量子计算机学习如何自评？华威大学物理系给出新思路

2019-11-29 12:02 916 查看

大数据文摘出品

来源：sciencedaily

编译：张卓骏、张秋玥

我们都希望量子计算机能够超越传统计算机，但是如何去判断这一过程呢？

华威大学的科学家通过创建允许量子计算机自我检查难题解答的协议，提供了一种确认量子计算机在不过度使用资源的情况下能否正常工作的方法。

该大学物理系的Samuele Ferracin、Theodoros Kapourniotis和Animesh Datta博士近日攻克了这一难题，并在11月18日《新物理学杂志》上刊登了相关的论文。

上述研究人员已经开发出的一种可以量化噪声对量子计算机输出影响的协议。噪声被定义为影响量子机硬件但超出用户控制的事物，例如温度的波动或硬件制造中的缺陷。这些都会影响量子计算机运行结果的准确性。

研究人员的测试计算出了两个百分比：评估量子计算机运行结果与正确结果的接近程度，以及用户对该接近程度的信心。

该测试将有助于量子计算机的制造商确定其机器设备是否在正常运行，来进一步帮助改善其性能。这是确定未来量子计算实用性的关键步骤。

华威大学物理系的Animesh Datta博士认为：“量子计算机只有实现了这两点，才真正具有意义：第一，它能解决一个难题；第二，它能正确地解决这个难题。对于第二点我认为并未受到重视。就算问题的解答有问题我们也并不知道。我们研究报告所提供的方法，正可以用来确认其计算结果与正确程度的接近程度。”

Animesh Datta博士

确定量子计算机是否已经为难题提供了正确答案是一项重大挑战，因为这些问题按照定义已经超出了现有传统计算机能够解决的范围。检查所提供的答案是否正确，通常需要使用大量传统计算机来解决相同的问题，而这在问题变得更具挑战性时是不可行的。

相反，研究人员提出了另一种方法，用量子计算机来运行许多我们已经知晓答案的简单运算并确认运算结果的准确性。基于此，研究人员可以确定量子计算机与正确答案之间的统计边界，以解决我们希望它来解答的困难问题（即目标运算）。

它与计算机程序员用于检查大型计算机程序的过程类似，都是通过放入具有已知答案的小功能来运行的。如果程序能够正确回答这些问题，那么他们可以确信整个程序基本是正确的。

Datta博士补充说：“量子计算机的目的是不花费大量时间来解决问题，所以花费大量的时间来检查它是否正确实际上违背了我们的初衷。我们这个方法有效率的原因是它不会依赖于大量的资源。”

“我们不需要传统计算机来检查我们的量子计算机，我们的方法存在于那些可以独立于大型服务器使用的量子系统之中。”

论文主要作者Samuele Ferracin一直在为试图将量子计算机用于日常工作的的科学家进行开发研究。他说：“过去的几年中，我们一直在思考检查量子计算机答案的新方法，并将其提出给实验者。最初的方法结果对现有的量子计算机要求太高，而现有的量子计算机只能运行体量小的计算并执行有限的任务。而我们最新的成果则成功地开发出一种适合现有量子计算机并涵盖其所有主要局限性的方法。我们正在与实验人员合作，以了解它在真实机器上的性能。”

量子计算利用了量子物理学非同寻常的性质，以与传统计算机完全不同的方式来处理信息。这种发散的计算形式利用量子系统的特性（比如它能够同时存在多个不同状态的），能够同时处理所有这些状态下的数据，使其相比传统计算方式更具优势。这种方法特别适合用来解决某些类型的问题：比如那些在密码破解和化学过程中发现的问题。

在过去的几年中，人们取得了空前的进步。最大的量子计算机每六个月体积翻一番，现在看来已经非常接近实现量子霸权。量子霸权指的是量子计算机发展中的一个里程碑：量子计算机第一次实现一台传统计算需要耗费大量时间才能完成的功能。

Datta博士补充说：“我们感兴趣的是，设计或发掘使用这些量子机器来解决物理和化学难题的方法，设计新的化学物质和材料，或找到有趣或具有奇特性能的材料，这就是为什么我们对计算的正确性尤其感兴趣。”