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量子電腦（quantum computer）長期以來一直是熱門的研究話題，有機會大幅取代現今的超級電腦。但過去科學家一直難以克服量子電腦系統中雜訊造成的影響。美國IBM公司研究團隊近期發表在《自然》（Nature）期刊的最新成果，成功克服了量子雜訊的干擾，讓量子電腦反覆進行複雜的物理模擬並獲得一致且正確的答案，所展現的精確度也超越古典電腦。
 
量子電腦運用特殊的量子現象進行運算，如量子糾纏（entanglement）、疊加（superposition）等量子特性大幅加速運算與模擬的複雜度。傳統電腦的位元非0即1，而量子電腦則存在著「疊加態」以及糾纏的模式。在2019年，Google曾宣稱達到「量子霸權」（quantum supremacy），認為團隊發展出的量子電腦計算能力已經能夠超越現有傳統電腦的極限、能夠解決傳統電腦無法解決的問題，但這項技術應用於現實生活中的實用性在當時飽受質疑，被認為急於發表恐怕有誤導大眾之嫌。
 
相較於當年Google的研究，本次IBM的研究人員使用127量子位元的IBM Quantum Eagle處理器來進行複雜的物理模擬，焦點著重在降低錯誤以獲得可靠的結果。應用脈衝延伸（pulse stretching）與機率錯誤消除（probabilistic error cancellation）的方法，研究人員藉此理解量子電腦硬體中的基礎雜訊，並消除雜訊的影響、獲得可靠的數據結果。目前的成果驗證了IBM透過減少雜訊而不是糾正錯誤的策略正確，但也有研究人員主張雜訊緩解的技術最終仍會遭遇瓶頸，如果要達到超級電腦等級的運算能力，仍然需要量子糾錯的技術發展。
 
為了驗證IBM Quantum Eagle模擬運算的結果是否正確，研究中還納入美國柏克萊大學（University of California， Berkeley）的研究人員以傳統電腦驗證運算的結果。除了費時暴力計算出答案，考量到電路的複雜性難以使用傳統電腦完成，柏克萊大學研究人員還開發了張量網路狀態（tensor network state， TNS）方法，可以獲得部分有效的模擬。運算的部分以美國國家能源研究科學計算中心（National Energy Research Scientific Computing Center， NERSC）和普渡大學（Purdue University）的超級電腦進行，目前在傳統電腦能提供答案的範疇，可以驗證量子電腦所提供的答案都是正確的。
 
這次研究的重點已經初步證實量子電腦在運算上可以超越傳統電腦，確認了量子霸權的存在;後續如果要證明量子霸權，還需要找到能夠利用量子電腦解決、傳統電腦無法解決的問題，並實際完成相關的計算。但現階段的研究成果，已經足以讓科學家對於量子計算有了更多的信心。
 
本次研究所使用的量子晶片IBM Quantum Eagle為127量子位元，IBM預計今年下半推出更有力的1121量子位元Condor晶片，並且正在發展4158量子位元的晶片，希望能用於公營事業規模的處理器需求。
 

新聞來源
1. Castelvecchi, D. （2023 June 14）. IBM quantum computer passes calculation milestone. Nature. https://reurl.cc/01v4Lo
2. Kim, Y. et al. （2023）. Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance. Nature， 618（7965）， 500-505.