關(guān)于量子計算機的討論很多，這是有充分理由的。這些未來派計算機旨在模擬微觀尺度的自然界發(fā)生的事情，這意味著它們有能力更好地了解量子領(lǐng)域并加快新材料的發(fā)現(xiàn)，包括藥物、環(huán)保化學(xué)品等。然而，專家表示，可行的量子計算機還需要十年時間。研究人員在此期間要做什么?

加州理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，描述了在經(jīng)典計算機上運行的機器學(xué)習(xí)工具如何用于預(yù)測量子系統(tǒng)，從而幫助研究人員解決一些最棘手的物理和化學(xué)問題。雖然這個概念之前已經(jīng)提出，但新報告是第一個在數(shù)學(xué)上證明該方法適用于傳統(tǒng)算法無法解決的問題。

“量子計算機是解決許多類型的物理和材料科學(xué)問題的理想選擇，”主要作者Hsin-Yuan(Robert)Huang說，他是與JohnPreskill、理論物理學(xué)教授RichardP.Feynman和AllenVCDavis合作的研究生。以及量子科學(xué)與技術(shù)研究所(IQIM)的LenabelleDavis領(lǐng)導(dǎo)主席。“但我們還沒有完全做到這一點，并且驚訝地發(fā)現(xiàn)可以同時使用經(jīng)典的機器學(xué)習(xí)方法。最終，這篇論文展示了人類可以從物理世界中學(xué)到什么。”

在微觀層面上，物理世界變成了一個受量子物理定律支配的極其復(fù)雜的地方。在這個領(lǐng)域中，粒子可以以疊加態(tài)存在，也可以同時以兩種態(tài)存在。狀態(tài)的疊加會導(dǎo)致糾纏，這是一種粒子連接或相關(guān)的現(xiàn)象，甚至沒有相互接觸。這些奇怪的狀態(tài)和聯(lián)系廣泛存在于天然和人造材料中，很難用數(shù)學(xué)來描述。

“預(yù)測材料的低能狀態(tài)非常困難，”黃說。“有大量的原子，疊加和糾纏在一起。你無法寫下一個方程式來描述這一切。”

這項新研究首次證明了經(jīng)典機器學(xué)習(xí)可用于彌合我們與量子世界之間的鴻溝。機器學(xué)習(xí)是一種模仿人腦從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的計算機應(yīng)用程序。

“我們是生活在量子世界中的經(jīng)典生物，”Preskill說。“我們的大腦和計算機是經(jīng)典的，這限制了我們與量子現(xiàn)實互動和理解的能力。”

雖然之前的研究表明機器學(xué)習(xí)模型有能力解決一些量子問題，但這些方法的運行方式通常使研究人員難以了解機器是如何得出解決方案的。

“通常，當(dāng)談到機器學(xué)習(xí)時，你不知道機器是如何解決問題的。這是一個黑匣子，”黃說。“但現(xiàn)在我們已經(jīng)通過我們的數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬，基本上弄清楚了盒子里發(fā)生了什么。”Huang和他的同事與加州理工學(xué)院的AWS量子計算中心合作進行了廣泛的數(shù)值模擬，這證實了他們的理論結(jié)果。

這項新研究將幫助科學(xué)家更好地理解和分類量子物質(zhì)的復(fù)雜和奇異相。

“令人擔(dān)心的是，在實驗室中創(chuàng)造新量子態(tài)的人可能無法理解它們，”Preskill解釋說。“但現(xiàn)在我們可以獲得合理的經(jīng)典數(shù)據(jù)來解釋發(fā)生了什么。經(jīng)典機器不只是像神諭一樣給我們答案，而是引導(dǎo)我們更深入地理解。”

合著者、NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)物理學(xué)家、加州理工學(xué)院前杜布里奇獎博士后學(xué)者VictorV.Albert對此表示贊同。“這項工作最讓我興奮的部分是，我們現(xiàn)在更接近一種工具，它可以幫助你了解量子態(tài)的潛在階段，而無需你提前非常了解該狀態(tài)。”

科學(xué)家們說，最終，當(dāng)然，未來基于量子的機器學(xué)習(xí)工具將勝過經(jīng)典方法。在2022年6月10日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項相關(guān)研究中，Huang、Preskill及其合作者報告說，他們使用谷歌的Sycamore處理器(一種基本的量子計算機)來證明量子機器學(xué)習(xí)優(yōu)于經(jīng)典方法。

“我們?nèi)蕴幱谶@一領(lǐng)域的起步階段，”黃說。“但我們確實知道，量子機器學(xué)習(xí)最終將是最有效的。”

由惠特尼克萊文撰寫

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