4个量子比特模拟8倍大的高保真电路潘建伟等提出电路切割方案

　　尽管近期的量子计算设备在所谓的NISQ时代仍然受限于量子比特的数量和质量，但量子计算的优势已经通过实验证明。此外，量子计算和经典计算的混合架构已成为展示NISQ应用的主要范例，其中重复应用低深度量子电路。为了进一步扩大NISQ设备可解决的问题规模，还可以通过将量子电路＂切割＂成不同的部分来减少物理量子比特的数量。
　　近日，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志和南方科技大学翁文康等通过实验演示了一种全新电路切割方法：仅使用4个物理超导量子比特，成功模拟了涉多达33个量子比特的线性团簇态，并实现了更高的电路保真度。 预印论文《具有较少超导量子比特的较大量子电路的实验模拟》已经提交到ArXiV网站。
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　　NISQ时代的应用：需要更小的量子设备
　　量子计算在许多应用上提供了比经典计算更高的潜在速度，如因式分解、非结构化搜索和量子模拟。然而，这些应用要求量子计算机具有容错性，但目前的量子技术还无法做到这一点：我们刚刚进入含噪声中等规模量子（NISQ）时代，这意味着物理量子比特的数量在计算空间上是可观的，但它们是易错的、或有噪声。最近的量子计算实验演示涉及约50-60个量子比特。虽然从存储器的大小来看，它们可能已经超过了经典超级计算机的极限；但可错的噪声门限制了目前量子设备上运行的量子电路的深度，构成了实际应用的主要障碍。
　　因此，用更小的量子设备解决大问题是有实际意义的，甚至可以通过使用更多的经典资源来换取。
　　这个主题可以大致分为两个分支；一个是算法层面，另一个是电路层面。前者是将一个大问题分解成较小的子问题，每个子问题由一台小型量子计算机来解决。包括量化经典的分割和征服算法，以解决组合优化问题；以及深度变分量子算法框架——该框架适用于模拟子系统之间相互作用很弱的物理系统。电路层面的方案是将一个大的量子电路分解成更小的部分，独立实现每一个部分，最后用经典计算机来组合计算结果。
　　02
　　电路切割方案：模拟超导量子比特子电路的线性团簇态
　　此次，这个中国团队选择从电路层面解决这一问题。该团队实验实现了类似断层扫描的电路切割方案，来模拟大型线性团簇态（linear-cluster states）。由于线性团簇态的对称性，该团队最终只需要运行最多4个超导量子比特的子电路，模拟的线性团簇态可以扩展到33个量子比特。
　　团簇态是一系列高度纠缠的状态，它可以用来实现基于测量的量子计算。也就是说，只需对团簇态进行测量，就可以进行普遍的量子计算；其中，线性团簇态是团簇态的一个具体例子，所有的量子比特都在一个维度上排列。
　　为了分析性能，团队还使用了稳定器技术来估计保真度下限。然后，将其与之前直接制备12量子比特状态的工作中得到的保真度界限进行比较。采用电路切割方案，4个量子比特模拟12量子比特团簇态的实验保真度界限可以达到0.734，这比之前直接在12量子比特超导处理器上模拟的实验高出约19%。
　　这一实验结果表明，电路切割方案有可能成为NISQ应用中的一个标准工具。
　　(a)电路切割方案的示例图。左边的量子电路在红叉处被切割，并被分割成两个子电路。原有的电路可以通过结合两个子电路在不同基础、不同输入的量子测量统计来模拟。(b)前两个量子比特的简化密度矩阵可以分解为。(c)左边：一个12比特的线性团簇态；右边：通过结合这两个子电路的测量数据，可以模拟出12比特的线性团簇态。
　　(a)处理器结构图，团队选择Q3至Q6的量子比特作为4量子比特子电路，Q4至Q6的量子比特作为3量子比特子电路。(b)4量子比特子电路的测量基准波形。(c)3量子比特子电路的测量基准波形。
　　(a) 从12量子比特电路（橙色）和通过运行更小的量子电路（蓝色）的电路切割方案中得到的期望值比较，每组有64个期望值，所有这些期望值的理想值是1。(b) 使用4量子比特和3量子比特电路的相同实验数据模拟大型线性簇态的保真度（蓝色）和处理时间（红色）。电路切割实验重复了25次，两个子图中的误差条表示由于重复实验而产生的波动。
　　03
　　未来：充分挖掘电路切割潜力，确定最佳切割点
　　在这项工作中，该团队通过实验证明了一种电路切割方案，并模拟了更大的线性团簇态，其大小可扩展到33个量子比特，最多使用4个量子比特。在12个量子比特的情况下，与之前直接制备12个量子比特状态的工作相比，实现了更高的保真度，为电路切割方案的适用性提供了佐证。
　　在NISQ时代，用小型量子器件模拟大型量子电路是一个很有前景的方向。目前，存在几种电路切割方案；有必要进一步对这些方案进行实验基准测试，以评估其在实践中的适用性。另一方面，尽管电路切割方案提供了将量子电路切割成小块的系统方法，但是目前，还没有确定最佳切割点的一般方法。因此，该团队在最后写道，＂电路切割的潜力还没有被充分挖掘出来。＂
　　论文链接：
　　https://arxiv.org/abs/2207.14142