追踪美国量子计算：伯克利国家实验室进展报告
光子盒研究院出品
2022年4月，劳伦斯-伯克利国家实验室发布了旗下高级量子测试平台（Advanced Quantum Testbed，AQT）的相关进展报告。通过本文，我们可以了解美国领先的国家实验室在量子计算领域的实际进展。
高级量子测试平台（AQT）是领先的合作研究平台，于2018年成立于劳伦斯-伯克利国家实验室，并由美国能源部（DOE）科学办公室“高级科学计算研究项目”资助。第一阶段的重点是部署并整合先进的超导硬件，和开发新的量子基准技术；这包括验证和确认、噪声的检测、抑制和缓解。
2020年，AQT开放实验平台。收到了来自学界、国家实验室、初创公司的众多实验申请；内容涵盖：量子算法、模拟、表征、验证、硬件控制、固件、软件和处理器架构等。在2018至2021这三年间，AQT已经在量子模拟、优化、量子化学和凝聚态物质、核物理和高能物理领域进行了各种演示。
基于上述合作机会和实验设施，AQT也致力于培养下一代量子计算科学家和工程师。提供量子领域导师带教、开放讨论、多元合作等培训机会。AQT的使用者也经过层层严选，将获得对硬件和软件系统的全方位权限：包括关于设计、性能和操作的数据。这也将进一步加强量子硬件的使用性能。
经过一系列交叉学科的前沿实验，AQT已经搭建起了适用于联合超导量子信息的全栈处理平台。这一平台包括设计与制造新型量子比特、量子处理器架构、低温封装等技术、包含硬件固件和软件在内的室温控制链、量子电路优化工具、量子表征验证和核实工具等。这些都对平台参与和使用者开源开放，构成量子研究相关的良性循环。
1）软件堆栈
包含适用于多种开源量子电路格式、配备高效编译和缓解错误等一系列算法优化工具的多功能软件堆栈。这一堆栈能为用户提供低级别访问和非标准软件访问需求。
2）商业和自定义控制
包括自定义和内部电子控制。内部电子控制堆栈——QubiC，可满足平台用户的需求。与已有的商业量子计算平台相比，用户和AQT科学家的密切合作提供了更多灵活性。
3）低温平台
包含一台Bluefors稀释制冷机——Blizzard，装备有160RF线路，并在10mk的温度下运行。Blizzard是与伯克利初创公司Bleximo合作开发的，包括一个可容纳模块化和可扩展的成套实验的实验台，以及用于改善电磁卫生的低温封装。这一平台可控制并读取128量子比特，并且可以容纳多个量子处理器。
4）超导量子处理器
AQT处理器组合包括一系列不同的架构，具有不同的连接性和本地门组。目前针对用户实验的标准处理器是一个具有高相干性量子比特、高保真门（双量子比特门保真度达99%）的8量子比特QPU。具有任意的动态可重构（最高可全部）连接的新型8量子比特处理器正在研发。
AQT也正和MIT林肯实验室合作，研发实验室适用的新型处理器。
在伯克利实验室长期进行的粒子加速器研究基础上，AQT开发了自己的室内控制堆栈。其中最重要是一个新型的、基于FPGA架构的控制处理系统——QubiC，并已经实现模块化和开源。QubiC能够以最小负载有效地上传和执行量子实验，可以定制以适应用户的独特需求，并快速反馈。
如今，AQT科学家已经利用QubiC针对双量子比特门进行自动化校准实验。
“更新的控制电路并非适配量子处理器，所以量子科学家采购更多仪器来适应量子硬件的优化需求。然而，在控制硬件的花费并非线性或指数型增长，这一领域也是我们正试图涉猎的。在切实意识到未来整合和设计的需求后，我们搭建了可行性更高、更具经济效益的QubiC系统。”伯克利实验室加速器技术与应用物理事业部、QubiC研发合作领导者Guang Huang表示。
AQT作为开源的实验平台，并鼓励学界、产业界、国家实验室的跨领域的研究团队使用，以此来支持美国能源部（DOE）的科学和能源计划。为此，AQT提供易于访问的深厚专业知识，以完善项目创意以获得最大的潜在影响，甚至通常带来实施它们的新方法。
除此之外，AQT正搭建自己的用户社区，允许用户交换创意并共享知识。在2020至2021年度，超过一半的项目正与国家实验室团队合作。测试平台的用户包含Quantum Benchmark、是德科技和Super. tech等行业合作伙伴。
2021年10月，AQT向用户发起了第二次倡议，收到多个主题的项目申请。包含在科学计算机上实施算法、含噪声中等规模量子（NISQ）硬件基准，以及联合搭建下一代架构和算法。如今，作为快速发展的量子信息科学社区实验室，AQT持续滚动接收科研项目申请。
自成立之初，AQT已经在多个量子信息科学领域取得广泛的进展，具体的实验亮点整理如下：
1）高保真iToffoli门
NISQ器件的发展扩展了具有高保真单量子和双量子比特门的可执行量子电路的范围。为NISQ器件配备三量子比特门将能够实现更复杂的量子算法和高效的量子纠错协议，并减少电路深度。2021年，研究人员使用固定频率超导量子比特，展示了一种基于双量子比特相互作用的高保真iToffoli门[1]，即所谓的交叉共振效应。与Toffoli门一样，这个三量子比特门可用于执行通用量子计算，并具有高达98.26%的保真度，提供了比Toffoli门更有效的门合成。
2）qutrit随机基准测试表征错误
三元量子处理器利用qutrit（三能级系统）中的量子信息编码和处理，提供了优于传统量子比特技术的显著潜在计算优势。为了评估和比较这种三元量子处理器的硬件性能，研究人员展示了行业标准随机基准测试（RB）协议的扩展，该协议被广泛开发和用于量子比特[2]，适用于三元量子逻辑。通过交错RB表征了几个相关的门，并采用同步RB来全面表征串扰错误。最后将周期基准应用于双量子CSUM门，并获得0.85的双qutrit过程保真度。这一结果呈现并演示了基于RB的工具、用于表征qutrit处理器的性能，以及诊断未来qudit硬件控制错误的一般方法。
3）利用QITE算法的随机编译
NISQ硬件的成功表明，即使没有纠错，量子硬件也能够解决复杂的问题。一个悬而未决的问题是，由于这些设备的复杂性增加而产生的相干错误：这些错误可以通过电路累积，使其对算法的影响难以预测和缓解。AQT的研究介绍了使用随机编译的噪声定制和使用纯化的错误缓解的组合；还表明，循环基准测试给出了纯化的可靠性估计。研究人员将这种方法应用于横向场存在模型的量子虚时间演化，并报告能量估计和基态错误率均低于1%。本次研究展示了如何将噪声定制和错误缓解相结合，以提高NISQ器件的性能[3]。
4）优化的费米子SWAP网络
AQT开发的费米子SWAP网络是一个量子比特路由序列，可用于有效执行量子近似优化算法（QAOA）。这项工作中，研究人员通过两种技术优化了QAOA的费米子SWAP网络的执行：首先，利用一组超完成的原生硬件操作（包括150 ns可控π/2相位门，保真度高达99.67%），以最小化电路深度和最大化门消除的方式分解相关的量子门和SWAP网络；其次，引入了等效电路平均，它在量子电路编译中随机化超过自由度，以减少系统相干错误的影响。这一技术通过执行QAOA电路在高级量子测试台上进行了实验验证，以找到具有各种随机采样参数的两节点和四节点Sherrington-Kirkpatrick自旋玻璃模型的基态。最后观察到，在超导量子处理器上的四个量子比特上，深度p=1的QAOA的错误平均降低了约60%[4]。
5）进行可扩展量子计算的随机编译
在NISQ时代，量子比特控制中的系统性错误校准、漂移和串扰会导致没有经典模拟的相干错误。相干错误以不可预测的方式严重限制了量子算法的性能，减轻其影响对于实现可靠的量子计算是必要的。随机编译是一种协议，旨在通过将相干错误转换为随机噪声来克服这些性能限制，从而大大减少量子算法中不可预测的错误，并通过周期基准测试测量的错误率准确预测算法性能。
在这项工作中，研究人员展示了在超导量子处理器上对四量子比特量子傅里叶变换算法和可变深度随机电路进行随机编译的显着性能提升；并使用实验测量的错误率准确预测算法性能。研究结果表明，随机编译可用于利用和预测现代嘈杂量子处理器的功能，为可扩展的量子计算铺平了道路[5]。
6）有效提高噪声量子计算机的性能
研究人员开发并实验验证了两种名为“无噪声输出外推”和“泡利错误消除”的有效错误缓解协议，从而大大提高由门极噪声循环组成的量子电路的性能。通过将概率错误消除和噪声放大等流行的缓解策略与有效的噪声重建方法相结合，这一协议可以缓解各种噪声过程，这些过程不满足现有缓解协议的假设，包括非本地和门相关过程。研究人员在高级量子测试台上的四量子比特超导处理器上测试该协议，观察到结构化和随机电路的性能都有显著改善，最多86%未调整输出的变化距离有所改善。这一实验证明了此次研究协议的有效性，以及它们在当前硬件平台上的实用性[6]。
自建立之初，AQT已经吸纳聘请了大量不同背景、不同学科领域的科学家，以组建一个跨国家、多领域的联合交流社区，同时培养量子劳动力。
AQT培养在读本科生开展为期一年的论文项目，也为研究生提供实验室培训和参与量子算法应用的项目机会。在AQT的培训项目中，学生和博士后与国家实验室、企业联合开展，学习更为广泛的量子知识。
AQT也为高中和本科学生提供额外的教育机会。例如，硬件部门主管Kasra Nowrouzih在过去的几年间，带领加州大学戴维斯分校（UC Davis）学生开展暑期国家科学基金会“本科生研究经历”（REU）项目；AQT也联合伯克利实验室的K-12 STEM“教育和推广计划”，组织与测量部门主管Ravi Naik的职业访谈。
AQT的学生和往届毕业生在全球实验室和顶尖机构就职，具体包括谷歌、Alice & Bob、韩国科学技术研究所、耶鲁量子研究所、罗切斯特大学等。
报告原文：
https://aqt.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/4/2022/04/AQT-Progress-Report-2021-Online.pdf
参考链接：
[1]https://arxiv.org/abs/2108.10288
[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.210504
[3]https://arxiv.org/abs/2104.08785
[4]https://arxiv.org/abs/2111.04572
[5]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041039
[6]https://arxiv.org/abs/2201.10672