日本科研人員使得量子計算機提前交付?

2020-11-24 量子客Qtumist

在現實應用的量子計算機中，一個很大的技術挑戰是，需要大量的物理量子比特來處理計算過程中累積的計算錯誤，而此行為需要耗費大量資源和時間。

近日，日本國立信息學研究所（NII）和日本電報電話公司（NTT）的研究人員們，發現了一個非常有效的軟體方法，該方法可將量子線路顯著壓縮，從而降低了對硬體開發的要求。

壓縮的前因

雖然量子計算機離商業化還有一定的距離，但在早期的實驗中，量子計算機的「量子優勢」——即比經典計算機計算速度快數百甚至數千倍的能力，確實已得到了驗證，且是在嘈雜中型量子（NISQ）處理器上實現的。

不幸的是，NISQ設備在運行中依舊會出現大量錯誤。為了在現實世界中，真正應用「量子優勢」，我們需要設計一個高容錯的、可全面運行的大型量子計算機。

目前，可將100個量子比特放置於NISQ設備中，但容錯計算機需要至少數百萬個量子比特，才能以足夠低的錯誤率對邏輯信息進行編碼。

容錯量子計算線路的實現，不僅可以使量子計算機變得更大，也使其運行時間變得更長（數量級別的增長）。反之，擴展的運行時間意味著計算更容易出錯。

雖然硬體的進步會彌補這一缺口，但是NII和NTT的研究人員們從軟體開發角度，通過壓縮大規模容錯量子計算機中的量子線路，解決了這個問題。

壓縮的結果

NII的研究人員表示，通過壓縮量子線路，我們可以縮小量子計算機的體積和其運行時間，從而減少了對容錯能力的要求。

為了保證大規模量子計算機體系結構的正常運行，需要通過糾錯碼來實現，而其中最常用的是表面碼及其變體。

研究人員們將重心放在其中的3D拓撲代碼上，該代碼特別適用於分布式量子計算機，且對不同的硬體都具有廣泛的適用性。

在3D拓撲代碼中，因為量子線路看起來像交錯的管道，所以又被稱為「編織線路」。可以對編織線路的3D圖進行壓縮，來減少其所佔體積。

圖2｜編織線路（來源：Quantum Computing）

迄今為止，這種對於管道的操縱技術都是臨時特設的，實際操作中可以參照的規則少之又少。

NII的另一研究人員表示，以前的壓縮方法並不能保證量子線路都是正確的，在參照鮮有的壓縮規則進行壓縮時，必須再次小心翼翼核檢其正確性。而這一系列的操作，堪比運行整個量子線路的困難性。

研究團隊建議在中間編譯階段時使用ZX演算作為語言，ZX演算是一種2D圖形語言（使用圖表和圖像代替文字），專門用於直觀表示量子比特的處理過程。更重要的是，它帶有一整套操作規則。

圖3｜ZX演算語言（來源：zxcalculus）

研究人員通過ZX演算與編織線路組件之間的平移關係，來運用ZX演算。且他們已經證明，可以將邏輯門線路的這兩種表示，利用一種一直隱藏在ZX演算中的新解釋實現相互映射。

ZX演算語言可以運用一組轉換規則來改變線路結構，而不改變其基本的數學含義，從而確保其正確性。

通過改變這種概念性結構，可以在最大程度上縮減線路的體積，一旦將這種新結構映射到實際的編織量子線路中，就可以獲得相當大的壓縮率。

研究報告顯示，採用這種技術後，壓縮率最高可降低77％，比之前的最佳程度還降低了40%。

同樣參與此次研究的NTT的研究科學家表示，壓縮方法及其進一步的發展，可以提前數年實現現實世界中的容錯量子計算機。

NII的量子信息科學官方表示，這可能成為未來作業系統開發的基礎。雖然在完全可擴展的量子計算機上，實現這些軟體的開發仍需要一些時間，但我們的方法可以大幅度減少硬體開發類的工作。

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