吉川和輝：量子電腦和傳統電腦結合在一起被稱為「量子經典混合」。圍繞這一計算技術，全球競爭日益激烈。原因是，目前的量子電腦無法避免計算錯誤，短期內很難單獨進行實用性計算。混合計算的新演算法，以及方便用戶使用的雲服務紛紛出現。

 

      錯誤頻發的量子電腦

 

      日本內閣府在4月發佈的《量子未來社會展望》報告中提出，日本應該瞄準的方向是將超算等傳統電腦與量子電腦相結合，通過混合化來實現「革新性計算服務」。

超級電腦「富岳」

 

      為什麼要進行「混合」呢？量子比特是量子電腦的基本單元，難以耐受周圍環境的熱量等産生的噪聲，容易發生計算錯誤。用這種量子比特構建較長的量子電路進行計算時，錯誤就會累積，導致無法得出正確的答案。這種真正的量子計算只有在具備「FTQC」糾錯功能的未來量子電腦中才有可能實現。

 

      要防止計算錯誤，可以通過增加量子比特的數量來實現，但需要的量子比特數量非常龐大。以目前主流的超導型量子電腦為例，量子比特數量最多為127。具有實用性糾錯功能的量子電腦需要數萬量子比特，實現前景無法預料。

 

      即便是現在的量子電腦，也可以通過較短的量子電路統計大量計算結果，然後利用傳統電腦進行優化計算，從而得到正確的計算結果。這就是量子經典混合演算法的基本思路。

 

      叫做「變分量子本徵求解（VQE）」的代表性演算法用於預測分子結構和特性的量子化學計算等。此外，還有面向優化組合問題及機器學習的演算法，國內外都在積極研究，應用於保健及金融領域等現實的計算課題。

 

      7月14日，日本東京大學的副教授Erik Lötstedt及山內薰教授等人與DIC的共同研究小組宣佈，使用量子電腦和傳統電腦，準確計算出了二氧化碳分子的被叫做「振動能級」的分子振動能量。

      研究小組使用了東大在川崎市運作的美國IBM量子電腦。通過比較量子計算獲得的能量與傳統電腦計算的結果，推斷出噪聲造成的誤差，這種演算法降低了計算誤差。

  

設在川崎市的IBM量子電腦 Quantum System One

 

      各種服務不斷出現

 

      與上述演算法的研究並行，美國大型IT企業正在主導開展電腦用戶可以順利執行混合計算的服務。

 

      美國大型雲服務商亞馬遜雲科技（AWS）從2021年11月開始提供強化了量子經典混合演算法的服務。2022年7月12日，美國英偉達公佈了可以無縫整合量子和經典兩種計算處理的混合計算平臺「QODA」。

 

      日本科學技術振興機構和研究開發戰略中心研究員島田義皓認為，「利用軟體減少計算錯誤的‘錯誤緩解’及模擬量子電腦工作的方法也是廣義的混合。今後還會出現各種嘗試」。

 

      量子電腦除了超導型量子電腦外，還有離子阱量子電腦及光量子電腦等多種技術候補，很難預測哪個技術是真命天子。通過混合各項技術，逐步實現量子社會是有效的。要想實現「量子社會」，靈活結合原有技術的「智慧」開發戰略至關重要。

 

      本文作者為日本經濟新聞（中文版：日經中文網）編輯委員 吉川和輝

 

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