量子電路壓縮新方法:有望提前實現商用量子計算機
2020-11-24 量子認知要達到任何實際的、現實世界中的量子計算機，最重要的技術挑戰在於需要大量的物理量子位來處理在計算過程中所累積的誤差。正是這種量子誤差校正耗費密集資源並且計算耗時，從而嚴重阻礙了量子計算機的商用化。
現在，科學家發現了一種有效的軟體方法，可以顯著壓縮量子電路，從而緩解了對量子計算機硬體開發的要求。
量子計算機遠未達到商業現實，所謂的「量子優勢」，即量子計算機的計算能力比傳統計算機快很多倍，實際上是在一個被稱為「嘈雜的中級量子技術」基礎上實現的。
「嘈雜的中級量子」技術，英語：Noisy Intermediate-Scale Quantum technology，簡稱：NISQ，這一術語由著名量子物理學家、量子信息科學先驅、加州理工學院量子信息與物質研究所所長、約翰·普雷斯基爾（John Preskilll）提出。許多人可能沒聽說過普雷斯基爾，但可能聽說過他所提出的著名的「量子優勢」或「量子霸權」一詞。
「嘈雜的中級量子」技術NISAQ普雷斯基爾提出，NISQ技術，對具有50-100量子位的量子計算機，可能能夠執行超越當今經典數字計算機能力的任務，但是量子門的噪聲將限制可以可靠執行的量子電路的大小。NISQ設備將成為探索多體量子物理學的有用工具，並可能具有其他有用的應用程式，但是100量子位的量子計算機不會立即改變世界，我們應該將其視為邁向更強大功能的重要一步未來的量子技術。
問題在於，NISQ設備易於在運行過程中累積許多錯誤。為了在現實世界中應用量子優勢，需要設計一種具有高容錯性的、可全面運行的大規模量子計算機。當前，可以將NISQ設備設計成具有大約100量子比特，但是容錯計算機將至少需要數百萬個物理量子比特，才能以足夠低的錯誤率對邏輯信息進行編碼。量子計算電路的容錯實現，不僅使量子計算機更大，而且使運行時間更長了幾個數量級，擴展的運行本身反過來意味著計算更容易出錯，從而形成一種惡性循環。儘管量子計算硬體的進步將可能解決這一資源缺口，但從目前來看還需要較長的一段時期才能有所突破。
現在，日本國立信息學研究所（NII）和日本日本電報電話公司（NTT）的研究人員，通過壓縮大規模容錯的量子電路，從軟體開發方面解決了這一問題，潛在地減少了對量子計算機硬體改進的需求，有望通過這一電路壓縮的新方法，可以提前數年交付現實世界的量子計算機。該最新研究發現論文，題為：「ZX演算輔助量子編織電路的有效壓縮」，發表在最新的《物理評論X》上。
論文第一作者之一、NII研究員、麥可·漢克斯（Michael Hanks）說：「通過壓縮量子電路，我們可以減小量子計算機的尺寸及其運行時間，從而減少對錯誤保護的要求。」如圖所示使用建議的方法壓縮初始體積為882的電路，壓縮後的精簡電路的體積為420，小於原始體積的一半。
ZX演算電路壓縮大規模量子計算機體系結構依賴於糾錯碼才能正常運行，其中最常用的是表面碼及其變體。研究人員專注於這些變體之一的電路壓縮：3D拓撲代碼（3-D-topological code）。該代碼在分布式量子計算機方法中表現特別出色，並且對不同種類的硬體具有廣泛的適用性。
3D拓撲代碼在3D拓撲代碼中，量子電路看起來像是交錯的管子或管道，通常稱為「編織電路」（braided circuits）。編織電路的3D圖可以進行壓縮，從而減小其佔據的體積。到目前為止，挑戰在於這種「管道操縱」是以臨時方式執行的，而且，如何做到這一點僅存在一部分規則。
論文作者之一、NII研究員、瑪塔·埃斯塔雷拉斯（Marta Estarellas）說：「以前的壓縮方法不能保證所得的量子電路是否正確。」 「每次應用這些壓縮規則之一時，都必須非常小心地檢查其正確性。這是一個重要的問題，因為這樣的任務就像運行整個量子電路一樣困難。」
研究團隊建議使用稱為ZX演算（ZX calculus）作為此中間編譯階段的語言。 ZX演算是2000年代後期開發的一種二維圖解語言，即使用圖表和圖像代替詞彙，專門用於直觀表示量子位過程。更重要的是，它帶有一整套操作規則。
ZX演算圖解語言研究人員通過發現ZX演算與編織電路組件之間的平移關係來利用ZX演算。研究人員表明，通過識別一直隱藏在ZX演算中的新解釋，可以將邏輯門電路的這兩種表示形式相互映射。
ZX演算語言可以應用一組轉換規則來更改電路的結構，而無需更改其基本的數學含義，因此也可以更改其操作，從而確保其正確性。通過仔細更改該概念結構，可以將電路的體積降至最小，一旦將這種新結構映射到實際的編織量子電路，就可以實現相當大的壓縮率。
研究人員報告說，採用這種技術後，壓縮率降低了77％，與以前的最佳努力相比，降低了40％。論文作者之一、NTT研究科學家、William J. Munro表示：「壓縮方法及其進一步的開發可以提前數年實現現實世界的容錯量子計算機的實現。」
該研究論文主導、NII量子信息科學全球研究中心主任、根本香絵表示：「有趣的是，它也可能是未來作業系統開發的基礎。 「要在完全可擴展的量子計算機中實施這些軟體開發，仍需要花費很多年，但與此同時，我們的方法可以節省與硬體開發相關的大量工作。」
根本香絵，英文名：Kae Nemoto，著名日本理論物理學家，她以在光子學、超輻射、量子能量傳輸、和線性光學量子計算方面的研究而聞名，同時是美國國立信息學研究所和研究生院教授、日本-法國信息學實驗室聯合主任。她於1993年獲得碩士學位，並於1995年獲得博士學位。2015年為美國物理學會（APS）院士、物理研究院院士，被譽為「是開拓了量子信息處理和通信的量子光學實現理論的先驅」。
參考：Effective Compression of Quantum Braided Circuits Aided by ZX-Calculus, Physical Review X.Published 11 November 2020. DOI: 10.1103/PhysRevX.10.041030
#量子計算機對人類發展的影響#
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