IBM将量子模拟的规模扩大了一倍

一项新的研究发现，使用一种称为“纠缠锻造（entanglement forging）”的新技术，该技术可以非常精确地模拟水分子的基态能量，IBM研究人员称他们可以将运行模拟所需的量子计算资源减半。

量子计算机最近的术语应用可能是化学和物理模拟，例如，模拟分子以研究新的电池设计或发现新药。然而，今天的量子硬件仍然是低量子位和容易出错的，限制了其实际应用的潜力，无法展现出全部的量子优势。。

现在，IBM的科学家们已经开发出一种新的量子模拟方法——纠缠锻造，以模拟像分子这样的量子系统，只使用通常所需量子比特数的一半。例如，使用IBM的27量子位Falcon量子处理器，他们发现可以使用纠缠锻造精确模拟水分子的基态，即其能量最少的基态，只需使用5个量子位，而不是标准的10个。

纠缠锻造将量子计算和经典计算结合起来，使量子计算机的能力实质上翻了一番。这种混合方法目前在量子计算中很常见，例如，被称为变分量子本征解算器的算法将量子计算和经典计算结合起来，以找到问题的最优解，例如分子的基态。

该研究的主要作者、加州圣何塞IBM Quantum的研究科学家Andrew Eddins说：“我们展示了一种方法，在许多情况下，可以让你在量子处理器上运行比正常情况下更大的问题。主要想法是通过将部分量子计算吸收到经典计算中，来解决给定量子硬件上的更大问题。”

通过新技术，IBM能够有效地将问题一分为二。进而1，它在量子计算机上分别对这两半进行建模——先是一半，然后是另一半，最后使用经典计算来计算两半之间的纠缠，并将模型编织在一起。

该技术的一个缺点是，它最适用于两半纠缠较弱的量子系统，这意味着它们之间的链接相对较少。一个系统内的纠缠度越大，纠缠锻造就越难以仅用经典计算精确模拟该系统。

尽管如此，Eddins指出，有可能将锻造的另一个版本扩展到更强烈纠缠的量子系统。IBM的研究人员正在探索一种策略，在这种策略中，他们基本上将系统分为过去和未来状态。”理论上，这种我们称之为‘Heisenberg forging’的方法可以模拟强纠缠态，”Eddins说。

纠缠锻造的另一个限制是时间。“量子计算机在模拟纠缠态方面自然是高效的，在这里，我们放弃了一些这种效率，将部分任务转化为经典计算，”Eddins表示，“结果是，在量子计算机上运行的每个电路都更小，但要运行的电路更多，因此整个计算需要更长的时间。幸运的是，当模拟系统的两部分只是弱纠缠时，这一时间需求可能相对较小。”

科学家们现在试图探索纠缠锻造对更大量子系统的可扩展性。即使系统变得足够大，以至于不可能包含经典计算，“纠缠锻造可能会给出有用的近似解，否则在给定的一组物理量子位中是无法获得的，”Eddins说。

科学家们在1月14日的《PRX量子》杂志上详细介绍了他们的发现。