如今，计算对我们执行科学方法的方式至关重要。高性能计算资源可以帮助研究人员生成假设，在大型数据集中找到模式，进行统计分析，甚至比以往任何时候都更快地进行实验。从逻辑上讲，访问一个完全不同的计算范式(它可以执行任何经典计算机难以执行的计算)可以为科学发现开辟一个新的领域。
随着量子计算机扩大我们的计算能力，我们也希望它们能扩大我们推动科学的能力。事实上，今天有限的量子计算机的使用已经给全世界的研究人员带来了好处。它以前所未有的方式审视了控制自然工作原理的规律的内在运行，并被用于解决化学、模拟、优化、人工智能等领域的问题。
在这里，我们展示了IBM Quantum硬件作为工具在科学研究中加速发现的效用，正如2021年3月在美国物理学会上的会议所显示的那样。三月份的APS3会议是世界上最大的物理会议，研究人员在这里展示最新成果。以及更广阔的物理领域。作为量子计算硬件的领先提供商，IBM的量子系统为46场非IBM演示提供了动力，帮助发现新算法，模拟凝聚态和多体系统，探索量子力学和粒子物理的前沿领域，推动量子力学的发展。量子信息科学正在全面推进。考虑到今年的APS月会议，
IBM的量子系统为46场非IBM演示提供了动力，帮助发现新算法，模拟凝聚态和多体系统，探索量子力学和粒子物理的前沿领域，推动量子信息科学领域整体向前发展。
00-1010在IBM Quantum，我们为科学家、工程师、开发人员和企业构建通用量子计算系统。我们的计划基于Transmon超导量子比特架构，运行着超过12个全栈量子计算系统的舰队，从1到65个量子比特不等。这些系统结合了最先进的控制电子设备和正在开发的软件，以提供世界上最好的量子计算服务。我们的团队发布了我们的发展路线图，表明我们不仅计划扩大处理器的规模，还计划如何将这些设备转变为革命性的计算工具。
IBM提供了几种访问其量子计算系统的方法。我们的旗舰计划是我们的IBM量子网络，其中包括我们与IBM合作促进量子计算研究的枢纽、探索广泛潜在应用的行业合作伙伴以及寻求建立量子计算共同知识的成员。在最广泛的层面上，我们社区的成员使用IBM Quantum Composer、IBM Quantum Lab编程工具和Qiskit开源软件开发工具包来构建和可视化量子电路，并在十几个较小的设备上运行量子实验。研究人员还可以通过我们的IBM量子研究人员计划优先进入该系统。
通过更广泛的社区中可用的网络、研究人员的程序和量子编程工具，IBM提供了一系列支持来促进研究和发现过程。这包括但不限于直接与我们的量子研究人员合作开展项目，就特定主题的潜在用例进行咨询，以及培养一个热衷于推广量子计算领域的开源社区。
IBM Quantum系统
随着量子计算机的成熟，它们的物理需求将使大多数用户能够远程访问它们，并以无摩擦的方式对它们进行编程——也就是说，他们可以在不成为量子力学专家的情况下获得好处。整个行业的量子计算公司都在期待这个不断发展的生态系统的发展。对于三个关键的开发部门来说，访问这些基于云的计算机将是最重要的：量子内核开发人员，他们试图从逻辑电路层面理解量子计算机及其底层机制；量子算法开发人员，他们使用这些电路来发现优于现有经典计算算法的潜在优势，推动整体计算的极限，并开发模型。当IBM通过IBM Cloud上的可访问服务开发我们自己的生态系统时，我们相信量子访问对于我们自己社区之外的其他领域非常重要。我们开发了Qiskit，它可以在任何量子计算平台上运行应用模块，甚至可以在其他架构中运行(例如，离子捕获设备)。最终，我们的目标是普及量子计算，同时为所有希望使用我们设备进行研究的人提供最好的硬件和专业知识。
围绕基于云的量子访问开发生态系统
IBM Quantum在APS 3月会议上的多次发言不仅表明IBM的量子计算机被用作IBM外部组织的研究平台，更重要的是，通过云在这些设备上访问和运行程序的能力非常重要。今天，科学和研究已经得到了推广。在我们的系统上进行的实验涵盖了我们计划的每个开发人员领域，包括研究量子计算本身的内核开发人员、算法开发人员以及使用量子计算作为工具来解决物理中其他问题的模型开发人员。
使用量子计算机进行发现
量子比特的固有量子特性意味着，即使是有噪声的量子计算机也可以充当强大的量子力学模拟和数字模拟器，例如在量子多体和凝聚态物理中研究的那些。可以说，量子计算机为这些领域的研究者提供了量子优势。他们可以使用模拟器来解决问题，与他们想要研究的系统相比，模拟器的性能比传统计算机更接近。在3月份的APS会议上，IBM Quantum 系统在许多前沿研究中发挥了核心作用。例如，在橡树岭国家实验室的Kubra Yeter Aydeniz的演讲“使用量子Lanczos算法在淡定的超短裙模型中进行散射” 中，他在无处不在的一维淡定的超短裙模型中模拟了一个粒子的传播和两个粒子的散射。处于两个自旋状态之一，这里具有周期性边界条件。她的团队采用一种算法来计算系统的能级和本征态，收集有关空间位点和跃迁幅度以及横向磁化强度随时间变化的粒子数的信息。
基准测试和表征嘈杂的量子系统
随着量子计算机复杂性的提高，经典地模拟其结果将变得更加困难，从而阻碍了我们判断它们是否已成功运行电路的能力。因此，研究人员正在设计方法来表征和量化整体近期量子计算机的性能，并希望开发出随着量子计算机尺寸和复杂性的增加而继续适用的方法。APS三月的一系列演讲演示了适用于IBM量子设备的基准测试方法。
在这样的演讲中，“量子计算机的可扩展和有针对性的基准测试” 桑迪亚国家实验室的魁梧的小海豚（Timothy Proctor）展示了他的可扩展且灵活的基准测试技术，该技术在IBM设计的Quantum Volume度量标准上进行了扩展，以期在增加a和b之间进行权衡。电路的深度（相当于门的时间步数）与其宽度（采用的qubit数）之间的关系。通过采用随机镜像电路（由一个随机的一比特和两个量子比特运算组成，然后由这些运算的逆序组成），该团队开发了一种基准测试策略，可以有效地在100或1000量子比特的量子计算机上工作。
算法发现
我们希望有一天，量子计算机将采用叠加，纠缠和干涉的方式，以提供解决传统难题的新方法。如今，科学家们正在努力开发可提供这些潜在加速效果的算法，同时着眼于他们可以从可在当今设备上运行的算法中获得什么样的好处。IBM的量子设备是寻找正在开发可用于开发硬件感知算法的系统的团队的理想测试平台。
例如，在由NSF资助的工作“用于量子计算的Rodeo算法” 中，Jacob Watkin提出了一种针对普遍存在的量子相位估计算法的新方法，称为Rodeo算法，其目标是近期的量子设备。该算法旨在概括著名的Kitaev相位估计算法，该算法采用随机变化的相移，以便在较短的栅极深度处获得结果。
推进量子计算
也许在APS三月会议上IBM量子系统最流行的使用是研究量子设备内部工作的基础，包括表征噪声，测试芯片的保真度，开发错误校正和缓解策略以及其他研究旨在推动整个领域的发展。我们希望通过研究我们的设备获得的进步将使整个领域受益。
在“使用Clifford量子电路数据减轻错误”中，来自Los Alamos国家实验室的Piotr Czarnik提出了一种新的基于门的量子计算机错误消除方法。该方法首先从仅由Clifford群门构建的量子电路生成训练数据，然后对该数据进行线性拟合，从而可以预测任意噪声电路的无噪声可观测值。Czarnik的团队通过在16量子位ibmq_melbourne系统上运行其错误缓解策略，证明了基态能量问题的数量级错误减少。
…还有更多
访问可控量子系统为研究人员提供了一种思考整个物理学问题的新方法。例如，在“量子计算机上的集体中微子振荡” 中，Shikha Bangar证明了量子资源可以作为一种代表粒子物理系统的有效方式-集体中微子振荡。同时，在“使用优化控制的量子计算机上的量子感测模拟” 中，约翰霍普金斯大学应用物理实验室的Paraj Titum开发了新的协议来检测背景噪声下的信号，并在IBM量子计算机上演示了该协议。
未来
IBM Quantum团队非常高兴知道我们的硬件正在加速世界范围内的科学进步，并且我们继续推动自己的硬件进步，以保持这些发现的畅通。APS三月会议还为我们的研究人员提供了一个场所，以介绍他们为未来量子系统开发的一些想法，包括先进的封装技术，新颖的量子位耦合架构[7-11]，甚至是很小的量子位。占我们当前transmons大小的一小部分。我们还使用了完全相同的IBM Quantum系统来推动改进量子量，算法和量子优势的演示[14、15、16]以及探索动态电路和量子误差校正[17、18]的进展。
即使在这个嘈杂的量子计算机的早期时代，访问量子计算系统也正在推动科学的发展。这不仅适用于IBM的系统。在APS三月会议上，科学家们提出了基于对其他超导体系结构（如Rigetti的体系结构）以及诸如霍尼韦尔（Honeywell）所构建的离子阱量子位系统的访问的结果。我们对2021年APS 3月会议的结果的分析表明，对现有基于云的量子计算平台的投资和使用为研究人员提供了强大的科学发现工具。我们预计随着量子计算系统及其相关的基于云的量子生态系统的成熟，发现的速度将会加快。