量子云計算：實現自我驗證！
背景
即使對於世界上最強大的經典計算機來說，有些極度複雜的計算仍然需要花費漫長的時間。可是，從理論上說，量子計算機卻可以完全勝任非常複雜的計算任務。原因是，不同於經典計算機的比特位，量子計算機擁有“量子位”。
經典二進制計算機存儲信息用的是：比特位（0和1）；量子計算機則是通過量子位表示量子信息。簡單說，量子位可以是一個雙態量子系統（例如：光子偏振態或電子自旋態等）。關鍵在於，量子位可同時處於“即是0又是1”的狀態。
經典計算機中的兩個比特位，在某一時刻，僅能存儲4個二進制數：00、01、10、11中的一個。然而，量子計算機中的兩個量子位可同時存儲這四個數，因爲每一個量子位可以同時表示兩個值。也就是說，如果我們要讀出這四個數時，只需要讀取一次；經典計算機則需要順序執行4次。當量子位繼續增加時，系統所存儲信息量就會呈指數方式增加。
創新
近日，奧地利因斯布魯克大學的物理學家們通過雲端的量子協處理器，爲模擬在化學、材料研究或者高能物理領域之前無法解決的問題，打開了大門。賴納·布拉特（Rainer Blatt）與彼得·佐勒（Peter Zoller）在《自然（Nature）》期刊上首次報告了，他們如何在20個量子位上模擬粒子物理現象，以及量子模擬器如何自我驗證結果。
技術
目前，許多科學家都在研究如何在現有的硬件上利用量子優勢。三年前，因斯布魯克大學的物理學家們首次通過數字量子計算機模擬了一對基本粒子的自發性形成。可是由於錯誤率，較複雜的模擬需要大量的量子位，而如今的量子計算機尚不具備如此大量的量子位。量子計算機中量子系統的模擬仿真也深受侷限。
現在，奧地利科學院量子光學與量子信息研究所（IQOQI）的克里斯蒂安·考卡爾（Christian Kokail）、克里斯蒂娜·邁爾（Christine Maier）、裏克·範·比尼南（Rick van Bijnen）等研究人員超越了這些限制。他們採用了以20個量子位作爲量子協處理器的可編程離子阱量子計算機。該量子計算機的量子力學計算能力可達到經典計算機的極限。
實驗物理學家克里斯蒂娜·邁爾表示：“我們利用了兩項技術的最佳特點。量子模擬器負責計算複雜量子問題，而經典計算機負責完成餘下的任務。”
科學家們採用了理論物理學中的變分法，但是卻將它應用到量子物理實驗中。裏克·範·比尼南解釋道：“這種方法的優點在於，我們可以採用量子模擬器作爲獨立於所要研究的問題的量子資源。通過這種方式，我們可以模擬更加複雜的問題。”
一個簡單的比較展現了差異：量子模擬仿真器就像玩具屋，它代表了現實。從另一方面來說，這種可編程的變分量子模擬器，提供了可用於構建許多不同玩具屋的構建模塊。在量子模擬器中，這些構建模塊是糾纏的門與單獨的自旋旋轉。通過經典計算機，只有當想要達到的量子狀態達到時，這套旋鈕纔會被扭動。
爲此，物理學家們通過經典計算機開發出一個複雜的優化算法，根據大約10萬個量子協處理器的請求得出結果。與量子實驗極快的測量週期相配合，IQOQI 的模擬器變得非常強大。物理學家們首次在真空中20個量子位的基礎上，模擬了基本粒子對的自發創造和毀滅。
因爲新方法非常高效，所以它也可以應用於更大型的量子模擬器上。因斯布魯克大學的研究人員將在不久未來構建了一個多達50個離子的量子模擬器。它爲未來進一步研究固態模型與高能物理問題打開了有趣的視角。
之前，複雜的量子模擬中的一個未解決的問題，就是模擬結果的驗證。理論物理學家克里斯蒂安·考卡爾問道：“這樣的計算難以甚至根本不能採用經典計算機檢查。所以，我們應該如何檢測量子系統能否提供正確的結果？”考卡爾解釋道：“我們首次通過在量子系統中進行額外的測量解決了這個問題。基於這些結果，量子機器評估了模擬的質量。”
因爲必需的量子位數量迅速增加，所以這樣的驗證機制是更加複雜的量子模擬的前提。裏克·範·比尼南表示：“我們仍然可以在經典計算機上測試20個量子位的模擬，但是這樣無法再進行更加複雜的模擬。在我們的研究中，量子實驗比在個人電腦上控制模擬更快。最終，爲了不減緩實驗，我們必須淘汰經典計算機。”
價值
這項研究的成果是基於因斯布魯克量子研究中心的實驗與理論之間獨特的合作。在奧地利蒂羅爾州，來自多年實驗量子研究的專門知識與創新的理論觀念結合到一起，帶來了全球公認的成果，並建立起因斯布魯克量子研究的國際領導地位。
理論物理學家彼得·佐勒補充道：“這個實驗是15年艱辛工作的結晶。我們很高興看到現在碩果累累。在因斯布魯克，我們不僅是可用量子位數量方面的領導者，而且已經進軍到可編程量子模擬領域，並能夠首次演示自我驗證的量子處理器。通過這個新方案，我們讓日常的量子問題得到模擬。”