科学家开发量子电路压缩新方法有望实现量子计算大规模商用

对于任何实际的,现实世界中的量子计算机而言,主要的技术挑战是需要大量的物理量子位来处理在计算过程中累积的误差。这种量子误差校正是资源密集的并且计算耗时。但是研究人员发现了一种有效的软件方法,可以显着压缩量子电路,从而缓解了对硬件开发的需求。

量子计算机可能离商业化还很遥远,但所谓的 “量子优势”–量子计算机的计算速度比经典计算机快几百倍或几千倍的能力–确实已经在早期的原理验证实验中,在所谓的噪声中间件量子(NISQ)器件上实现了。

遗憾的是,NISQ器件在运行过程中仍然容易积累很多错误。要想让量子优势在现实世界中有任何应用,就需要设计出具有高容错率的完全运行的大规模量子计算机。目前,NISQ器件可以设计出大约100个qubits,但容错计算机至少需要数百万个物理qubits,才能以足够低的错误率编码逻辑信息。量子计算电路的容错实现不仅使量子计算机的体积变大,而且运行时间也在数量级上延长。延长的运行时间本身又意味着计算更容易出错。

虽然硬件的进步可能会解决这一资源缺口,但来自日本国立信息学研究所(NII)和日本电报电话公司(NTT)的研究人员从软件开发方面解决了这一问题,他们通过压缩大规模容错的量子电路,有可能减少对硬件改进的需求。

11月11日发表在《物理评论X》上的一篇论文的作者之一、NII的研究员迈克尔-汉克斯说:”通过压缩量子电路,我们可以减少量子计算机的尺寸和运行时间,从而降低对错误保护的要求”。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

大规模量子计算机体系结构依赖于纠错码才能正常运行,其中最常用的是表面码及其变体。

研究人员重点研究了其中一种变体的电路压缩:3D拓扑码。这种代码在分布式量子计算机方法中表现得特别好,并且对不同种类的硬件具有广泛的适用性。在3D拓扑代码中,量子电路看起来像交错的管子或管道,通常被称为 “编织电路”。编织电路的三维图可以被操作压缩,从而减少它们所占的体积。到目前为止,面临的挑战是,这种 “管子操纵 “是以一种特别的方式进行的。而且,对于如何做到这一点,也只有部分规则。

“以前的压缩方法不能保证所产生的量子电路是否正确,”NII研究员Marta Estarellas的合著者说。”每次应用这些压缩规则之一时,人们必须非常小心地检查其正确性。这是一个重要的问题。

研究团队提出使用ZX-calculus作为编译这一中间阶段的语言。ZX-calculus是一种二维图式语言(用图表和图像代替文字),开发于2000年代末,明确表示可以直观地表示qubit过程。更重要的是,它带有一套完整的操纵规则。

在论文中,研究人员通过发现ZX-calculus与编织电路中的元件之间的转换关系来驾驭ZX-calculus。研究人员已经证明,这两种逻辑门电路的表示方式可以通过识别一直隐藏在ZX-calculus中的新解释来相互映射。

科学家开发量子电路压缩新方法有望实现量子计算大规模商用
使用开发的新电路压缩方法:初始容量为882的电路。精简电路体积为420,小于原始体积的一半。

ZX-calculus语言可以应用一套转换规则来改变电路的结构,而不改变其底层的数学含义(进而改变其操作),从而保证其正确性。通过仔细更改该概念结构,可以使电路的体积最小化,一旦这种新结构被映射到实际的编织量子电路上,就可以实现可观的压缩率。

研究人员报告说,应用这种技术,压缩率最高可降低77%,相当于比以前的最佳努力减少了40%。

“这种压缩方法及其进一步发展可以提前几年实现现实世界的容错量子计算机,”NTT的研究科学家William J. Munro说,他也对这项研究做出了贡献。

“有趣的是,这也可能是未来操作系统开发的基础,”NII全球量子信息科学研究中心主任Kae Nemoto说。”这些软件开发可能还需要很多年才能在可完全扩展的量子计算机中实现,但我们的方法可以在这期间节省大量与硬件开发相关的工作。”

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