光量子公司在纠错量子计算架构方面取得突破

光子盒研究院出品

本周，累计融资6.65亿美元的PsiQuantum公司宣布了一项突破性技术，用于更有效地实现容错量子计算：预计这项技术将使编译后的应用程序的运行时间效率提高约50倍[1]。

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量子算法运行效率提高50倍

这项技术专门针对错误纠正的量子计算机的算法，而不是非错误纠正的NISQ系统。主动量子编译通过更有效地利用可用的硬件，减少了运行一个特定的应用程序所需的时间。这是通过利用量子计算机中不同区域之间的长距离连接实现的：这种技术特别有利于光量子计算，在这种情况下，使用传统的光纤就可以实现长距离的连接。

PsiQuantum的发展使原本闲置的计算资源（非活动计算量）得到了更有益的重新利用。在许多使用量子算法的商业应用中，这对硬件运行时间和效率有重大影响。据估计，优化活动量可以使一些算法所需的操作提高约50倍。

PsiQuantum的首席科学官和联合创始人Pete Shadbolt说：“这是我们的容错团队取得的一个非常重大的成就。50倍的改进意味着，以前在未来的光量子计算机上执行的量子应用需要一个月的时间，现在在一天之内就能运行。”

所提供的改进可以推广到许多不同的具有实际意义的量子算法。这在未来量子计算技术的范围内带来了更广泛的有用量子应用的多样性。

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量子计算优化案例

例子展示了在具有12个量子比特模块的活动量子计算机上执行的量子计算的结构。(a)量子计算对应于6个量子比特的5个操作序列，其中每个操作都有一个逻辑块网络的表示。(b)在第一个逻辑周期，操作1和2被执行。(c)在第二个逻辑周期中，只有操作3被执行。(d)在第三个逻辑周期，操作4和5被执行。

(a)波纹承载加法器（adder）电路的修改版。(b)这个加法器的每个重复段除了生成CCZ状态所需的体积外，还有22个块的有效体积。(c)压缩后的ZX图可以用来验证这两张图描述的是相同的操作。

数值模拟的结果

一个具体的工作实例发生在破译密码的情况下，如涉及到Shor算法的应用。根据PsiQuantum公司在论文[2]中给出的假设，估计通过使用这种技术，在未来的光量子计算机上以1ns操作周期运行，破解非常强大的（2048位）加密RSA密钥所需的时间减少到9小时左右。虽然该公司继续开发执行这一应用所需的大规模容错量子计算机，但这一结果极大地降低了对该未来系统的要求。

该方法对更广泛地优化使用量子计算有额外的影响。正如PsiQuantum的量子架构副总裁Naomi Nickerson所描述的那样。

“鉴于光量子计算机能够利用计算资源和计算运行时间之间的权衡，这一发展也有影响。有源量子技术减少了所需的计算时间，这可以转化为使用光子交织等技术减少硬件资源。这在允许程序使用更少的硬件在相同时间内运行方面也可能具有实际意义。尽管这种方法的优势可以通过任何能够连接遥远的量子比特的技术来实现，但这对于目前的许多方法来说是具有挑战性的，而有源体积架构特别适合于使用光纤连接的光量子比特。”

“我们相信，这一结果将对正在进行的、世界范围内的针对具体问题实例分析已知量子算法的努力具有重要意义，找到编译这些算法的最佳方法。当旨在提供商业上有用的应用时，这些实施细节是至关重要的。”

PsiQuantum的首席执行官和联合创始人Jeremy O'Brien说：“这一改进是将有用的量子应用纳入近未来硬件范围的又一步骤，非常令人兴奋。我们有一支由量子架构师和量子工程师组成的优秀团队，致力于为公用规模的量子计算机优化软件。我们期望看到资源需求与我们的硬件改进一起继续下降。”

关于PsiQuantum

在硅光子学和容错量子架构的突破推动下，PsiQuantum正在建造第一台公用规模的量子计算机，以解决世界上一些最重要的挑战。PsiQuantum的方法是基于光量子比特，在提供容错、通用量子计算机所需的规模上具有显著的优势。随着量子芯片现在在世界领先的半导体工厂生产，PsiQuantum公司在提供量子能力方面具有独特的优势，将推动气候技术、制药、医疗保健、金融、能源、农业、交通、通信等方面的进步。

参考链接：

[1]https://www.businesswire.com/news/home/20221201005956/en/PsiQuantum-Announces-Breakthrough-in-Architectures-for-Error-Corrected-Quantum-Computing

[2]https://arxiv.org/abs/2211.15465

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