在现实应用的量子计算机中,一个很大的技术挑战是,需要大量的物理量子比特来处理计算过程中累积的计算错误,而此行为需要耗费大量资源和时间。

近日,日本国立信息学研究所(NII)和日本电报电话公司(NTT)的研究人员们,发现了一个非常有效的软件方法[2],该方法可将量子线路显著压缩,从而降低了对硬件开发的要求。

 

压缩的前因

虽然量子计算机离商业化还有一定的距离,但在早期的实验中,量子计算机的“量子优势”——即比经典计算机计算速度快数百甚至数千倍的能力,确实已得到了验证,且是在嘈杂中型量子(NISQ)处理器上实现的。

不幸的是,NISQ设备在运行中依旧会出现大量错误。为了在现实世界中,真正应用“量子优势”,我们需要设计一个高容错的、可全面运行的大型量子计算机。

目前,可将100个量子比特放置于NISQ设备中,但容错计算机需要至少数百万个量子比特,才能以足够低的错误率对逻辑信息进行编码。

容错量子计算线路的实现,不仅可以使量子计算机变得更大,也使其运行时间变得更长(数量级别的增长)。反之,扩展的运行时间意味着计算更容易出错。

虽然硬件的进步会弥补这一缺口,但是NII和NTT的研究人员们从软件开发角度,通过压缩大规模容错量子计算机中的量子线路,解决了这个问题。

 

压缩的结果

NII的研究人员表示,通过压缩量子线路,我们可以缩小量子计算机的体积和其运行时间,从而减少了对容错能力的要求。

量子计算机提前交付?压缩意味着什么-量子客

为了保证大规模量子计算机体系结构的正常运行,需要通过纠错码来实现,而其中最常用的是表面码及其变体。

研究人员们将重心放在其中的3D拓扑代码上,该代码特别适用于分布式量子计算机,且对不同的硬件都具有广泛的适用性。

在3D拓扑代码中,因为量子线路看起来像交错的管道,所以又被称为“编织线路”。可以对编织线路的3D图进行压缩,来减少其所占体积。

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图2|编织线路(来源:Quantum Computing)

迄今为止,这种对于管道的操纵技术都是临时特设的,实际操作中可以参照的规则少之又少。

NII的另一研究人员表示,以前的压缩方法并不能保证量子线路都是正确的,在参照鲜有的压缩规则进行压缩时,必须再次小心翼翼核检其正确性。而这一系列的操作,堪比运行整个量子线路的困难性。

研究团队建议在中间编译阶段时使用ZX演算作为语言,ZX演算是一种2D图形语言(使用图表和图像代替文字),专门用于直观表示量子比特的处理过程。更重要的是,它带有一整套操作规则。

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图3|ZX演算语言(来源:zxcalculus)

研究人员通过ZX演算与编织线路组件之间的平移关系,来运用ZX演算。且他们已经证明,可以将逻辑门线路的这两种表示,利用一种一直隐藏在ZX演算中的新解释实现相互映射。

ZX演算语言可以运用一组转换规则来改变线路结构,而不改变其基本的数学含义,从而确保其正确性。

通过改变这种概念性结构,可以在最大程度上缩减线路的体积,一旦将这种新结构映射到实际的编织量子线路中,就可以获得相当大的压缩率。

研究报告显示,采用这种技术后,压缩率最高可降低77%,比之前的最佳程度还降低了40%。

同样参与此次研究的NTT的研究科学家表示,压缩方法及其进一步的发展,可以提前数年实现现实世界中的容错量子计算机。

NII的量子信息科学官方表示,这可能成为未来操作系统开发的基础。虽然在完全可扩展的量子计算机上,实现这些软件的开发仍需要一些时间,但我们的方法可以大幅度减少硬件开发类的工作。

 

参考链接:

[1]https://thequantumdaily.com/2020/11/16/new-circuit-compression-approach-could-deliver-real-world-quantum-computers-years-ahead-of-schedule/

[2]https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/248606.php?from=483734

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:Sakura