提前交付容错量子计算机？日本提出的一种方法有望实现该目标

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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光子盒研究院出品

对于实用量子计算机来说，一个主要的技术挑战来自于需要大量的物理量子比特来处理计算过程中积累的错误。而这种量子纠错非常消耗计算资源和时间。但日本国立信息学研究所（NII）和日本电报电话公司（NTT）的研究人员找到了一种有效的软件方法，可以显著压缩量子电路，降低对硬件开发的要求。

量子计算机可能仍远未实现商业化，但在早期的原理证明实验中，所谓的“量子优势”——量子计算机比经典计算机计算速度快数百或数千倍的能力——确实是在所谓的嘈杂中型量子(NISQ)设备上实现的。

但不幸的是NISQ设备仍然会在运行过程中产生大量的错误。要想在现实世界中应用量子优势，就需要设计一个具有高容错能力的、完全可操作的大规模量子计算机。

目前，NISQ设备可以设计出大约100个量子比特，但一个容错计算机设备至少需要数百万个量子比特才足以在较低错误率下对逻辑信息进行编码。容错量子计算电路的应用不仅使量子计算机运行空间更大，也使其运行时间延长了几个数量级。而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NII和NTT的研究人员通过压缩大规模容错量子计算机中的量子电路，从软件开发方面解决了这个问题，从而有可能减少硬件改进的需求。

这篇论文发表在11月11日的Physical Review X上，论文作者之一、NII的研究员Michael Hanks表示：“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，从而减少对容错能力的要求。”

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

研究人员专注于其中一种变体的电路压缩，即3D拓扑码。这个代码能够极好地运用于分布式量子计算机中，并能广泛适用于不同种类的硬件。在3D拓扑代码中，量子电路看起来像交错的管道，因此通常被称为“编织电路”。可以通过操作编织电路的3D图可以实现压缩过程，从而减少它们所占的体积。

到目前为止，这种“管道操作”方面的测试一直在以一种特殊方式进行着，除此之外，只有很少准则可以运用到实际操作中。

用该方法压缩初始体积为882的电路，经压缩后的电路体积为420，不到原电路体积的一半

NII的研究员也是论文合著者Marta Estarellas表示，以前的压缩方法不能保证得到的量子电路是正确的，因此每次在应用这些压缩规则时，必须非常仔细地检查其正确性。这是一个重要的问题，因为这个任务就像运行整个量子电路一样困难。

研究小组建议使用ZX-calculus作为编译中间阶段的语言。ZX-calculus是一种2D图表语言(运用图表和图像而非文字)，开发于2000年代后期，旨在直观地表示量子比特过程。更重要的是，它附带了一套完整的操作规则。

在他们的论文中，研究人员通过发现ZX-calculus和编织电路元件之间的平移关系来运用ZX-calculus。研究人员已经证明，通过识别一直隐藏在ZX-calculus中的一种新的解释，这两种逻辑门电路的可以相互映射。

ZX-calculus语言可以应用于一组转换规则来改变电路的结构，而不会改变电路的底层数学逻辑(以及它的操作)，从而来确保电路的正确性。

通过深入研究如何改变这个概念结构，电路的体积可以最大程度的减小，一旦这种新结构运用到实际的编织量子电路上，就可以实现相当大的压缩率。研究人员报告称这项技术的运用可以减少高达77%的压缩，比此前的最佳表现减少了40%。

NTT的研究科学家William J. Munro也参与了这项研究，他表示这种压缩方法及其进一步的发展，可以提前几年实现真实世界的容错量子计算机。

NII量子信息科学全球研究中心主任Kae Nemoto表示：“有趣的是，这也可能是未来操作系统开发的基础。在完全可扩展的量子计算机中实现这些软件开发仍然需要很多年，但同时我们的方法可以减少大量与硬件开发相关的工作。”

关于日本国家信息学研究所（NII）

NII是日本唯一致力于信息学新学科的学术研究机构。其使命是在信息学中“创造未来价值”。NII进行长期的基础研究和实践研究，旨在解决从基础理论到最新课题(如人工智能、大数据、物联网和信息安全)等一系列信息学研究领域的社会问题。

作为一所大学间的研究所，NII建设并运营着学术信息基础设施，这对整个学术界的研究和教育活动至关重要，并开发了诸如能够提供学术内容和服务平台的服务。

详情：

[1]https://scitechdaily.com/new-circuit-compression-technique-could-deliver-real-world-quantum-computers-years-ahead-of-schedule/

[2]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.041030

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。

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