IBM研究人员发现了一种在量子计算中降低噪声的方法,方法是在可测量的间隔上放大噪声,并推断出一个差值来计算“零噪声”的结果。
QC资讯丨IBM的量子计算技术可降低噪声并提高准确性-量子客
图为:在不同噪声水平(红色,绿色)下测量的单个量子比特轨迹用于估计误差缓解的轨迹(蓝色)。图片来源:IBM

IBM开发了一种名为“零噪声外推”的技术,可以降低量子计算的噪声。这看似违反直觉,但通过在不同的噪声水平下重复计算,IBM科学家可以估计出量子计算机在没有噪声的情况下会计算出什么。根据他们的《自然》杂志上发表的一篇题为《扩展嘈杂的超导量子处理器的计算范围》的论文,误差缓解技术改进了在当今IBM Q系统上运行的任何算法的结果。

二进制数字“位(bit)”是经典计算中的基本信息单位,而量子比特(qubit)构成了量子计算。位总是处于0或1的状态,而量子比特可以处于0,1或两者的叠加状态。量子计算利用量子比特来执行对于经典计算机来说更困难的计算。但今天的物理量子计算机噪声很大,这就导致了计算错误,目前仍然没有针对它们的商业实用算法。

因此,减少误差和降低噪声是提高量子计算机实用性的关键。IBM称其“噪声放大”技术提高了量子计算的准确性,包括上周概述的机器学习实验。最重要的是,这都是在不需要硬件改进的情况下实现的。

零噪声外推

下面是零噪声外推的工作原理。IBM的科学家表示,他们已经发现,在不同的噪声水平下重复给定的计算可以让他们估算出量子计算机在没有噪声的情况下会计算出什么。具体来说,用于对量子比特进行量子操作的微波脉冲被“及时拉伸”,以可控制地放大噪声。

在有噪声的量子硬件上的计算受到退相干(量子相干性的丢失,或从系统进入到环境的信息丢失)和电路深度(处理器上执行的顺序操作次数的测量)之间的竞争的限制。增加电路深度可以帮助创建更复杂的量子态,但通常意味着从退相干增加误差。零噪声外推技术减轻了退相干的影响,同时获得了更复杂和更准确的计算,这得益于电路深度的增加。

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图为:将实验数据(白色圆圈)与精确的能量曲线(绿色虚线)进行比较。左侧面板显示了2017年论文的结果,右侧面板显示了2019年论文的结果。在右侧面板中,通过对不同噪声(彩色圆圈)实验的结果进行外推,获得了误差减缓的估计值(白色圆圈),并显示出更高的准确性,而无需对用于这些计算的处理器进行显著的硬件改进。图片来源:IBM

IBM科学家声称,零噪声外推可以用来改进任何依赖于期望值的量子计算。在他们的论文中,他们展示了2017年《自然》杂志的研究“用于小分子和量子磁体的硬件高效变分量子本征解算器”在量子模拟准确性方面的改进,并在本月早些时候他们发表在《自然》杂志上题为《具有量子增强特征空间的监督学习》的论文中更加确定了二元分类问题的成功。

也就是说,他们承认这些改进“不是无限期的,并且最终会受到处理器的一致性特性的限制。”不管是否违反直觉,增加噪声以降低噪声目前只能走这么远。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并完整授权量子客整理发布。

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