量子计算两种实现方法首次较量，发现各有所长……

△ 量子计算机所需的电磁阱

晓查 | 编译自Science

对于AI之间的比拼、AI与人类的比拼，我们都已经司空见惯。不过，量子计算机之间的比赛，大概谁也没见过。

直到前不久。

在一项新的研究中，两种采用着不同技术制作的量子计算机进行了算法运算比赛。一台来自马里兰大学，另一台来自IBM。

有科学家说，这是第一次，有两种不同的量子计算机在同样的竞争环境下进行比较和测试。

英国牛津大学的物理学家Simon Benjamin说：“很长一段时间以来，这些设备都不够成熟，因为以前不能真正把两个5量子比特的设备放在一起，并进行这种比较。”Benjamin并未参与这项研究，“这次实验是一个标志，说明这种技术正在成熟。”

其中一台计算机是用五个镱离子制造的，这些离子被限制在电磁阱中并由激光器操纵。它属于马里兰大学物理学家Chris Menroe所领导的实验室，Menroe也是创业公司ionQ的联合创始人。另一台量子计算机则属于IBM，它的核心是五个由超导金属制成的小环，这些超导环可以通过微波信号进行操纵。 它也是世界上唯一一台可以让用户在线编程的量子计算机，而不是仅仅是由实验室的科学家来编程。

这两台计算机都没有太多的计算能力，但它们却证明了许多让人们认为量子计算机会成为主流技术的原理。 与传统计算机的“比特”（bit，它仅仅可以处于0或1的状态）不同，量子计算机依赖于“量子位”或称“量子比特”（qubit），量子比特可以处于0和1组成的“叠加”状态。在Menroe的计算机中，每个量子比特是一个离子，其中的电子可以处于能级“0”和能级“1”，或者同时处于两个能级的叠加状态。在IBM量子计算机的每个超导回路里，电流可以处于两种不同的强度，或者同时处在两个不同强度上的叠加。我们也可以在这许多量子比特中加入更多叠加态。 这会使量子计算机潜在的计算能力随着我们添加的比特数成指数级地增长。

但是量子比特的状态也是脆弱的：来自外部世界的小扰动可以破坏这种叠加态。因此计算机必须在进行计算时仔细地保持叠加状态。 在测试中，两台计算机的“门精度”（也就是完成单个双量子比特逻辑运算成功的概率）都大约只有97％，大大低于任何真实世界运算操作所需要的精度。

△ IBM由超导回路制成的量子计算机虽然比五离子的量子芯片速度更快，但可靠性更低

为了测试它们的性能，Monroe的团队在每个设备上运行一组标准算法，并比较输出。 离子计算机在每种情况下都得到更正确的答案。 对于一个特定的练习，对比是特别引人注目的：离子计算机获得了77.1％的成功率，而超导计算机只有35.1％的成功率。 科学家们在上周在arXiv上发表了相关的研究结果。

论文地址：https://arxiv.org/abs/1702.01852

Monroe说，性能差异不是来自量子比特本身，而是来自它们如何连接在一起。 他的每个离子都可以与其他离子相互作用，减少了许多任务所需的操作次数，以及叠加导致崩溃的几率。 相比之下，在IBM计算机中，四个超导回路仅连接到一个中心回路，通常需要额外的操作在回路之间交换信息。 因为没有操作是100％可靠，总体成功率随着操作次数的增长而下降。 “连接很重要，”Monroe说。

Jerry Chow是IBM纽约Yorktown Heights实验室负责领导IBM量子计算团队的物理学家，他承认量子比特之间的连接很重要。 但最终，他预计量子比特叠加状态能持续更长时间，也就是更“相关” 。 这意味着，从长远来看，计算机的较低的连接性不一定会拖累它的整体可靠性。 “如果有足够的相关性，你的算法整个操作需要的时长就不重要了。”他还指出，IBM的在线计算机现在比Monroe的团队进行比赛时所用的具有更多的量子比特连接，这可能使它更接近离子计算机的性能。 这两个实验室已经在研究更多量子比特、更可靠的下一代设备。

事实上，这一研究将两种“前沿的”量子计算进行了比较，但还是处于“萌芽期”。Benjamin说。 由离子或超导回路制成的实用器件将需要数千个量子比特，并且它们之间的连接网络将变得更复杂。 他还指出，虽然离子量子计算机目前更可靠，但超导量子计算机速度更快。 IBM的设备在250~450纳秒内便完成了一个双量子位操作，比离子计算机快1000倍。

这项研究还为量子软件设计师，比如雷德蒙德的Microsoft研究员Krysta Svore提供了思路：了解量子计算机的特定架构如何影响性能，以及未来优化算法的关键。她说： “这是开始对话迈出的伟大的一步。”