Nat. Phys.：谷歌、科思创提出全新量子误差缓解技术

光子盒研究院

来自谷歌和科思创(Covestro)公司的量子计算专家在量子计算领域取得了重大进展，特别是针对其在工业化学研究中的应用。

科思创是一家总部位于德国的化学公司，是优质聚合物的主要供应商之一。

现在，《自然·物理学》杂志上的一项研究详细介绍了他们利用当今量子计算机进行化学模拟的发现，尽管这些计算机噪音很大，而且还未进行错误校正。

量子力学系统模拟是量子计算机的一项前景广阔的应用。然而，模拟化学反应过程中的分子所需的精度受到当今量子设备噪声的限制。从本质上讲，即使这些模拟中存在微小的误差，也会导致对反应得出错误的结论。
关键问题在于，能否在不等待更先进的量子纠错技术的情况下，充分降低量子计算机中的噪声。该团队最近的研究通过考察两种“基于净化”的错误缓解技术，深入探讨了这一问题。这些技术最初由谷歌提出，直到现在才在现实世界的硬件中进行了测试。
科思创公司高性能和量子计算负责人克里斯蒂安·戈戈林(Christian Gogolin)解释说：“为此，我们希望建立一种足够接近于解决化学领域实际问题的计算，但又足够简单，以便研究不同纠错方法的有效性。”
在测试中，他们借鉴了Covestro和Qu&Co公司（现为 PASQAL）过去的研究成果，模拟成对的电子；这种方法是谷歌之前一项实验的延伸，使其更加复杂，并向更先进的模拟更近了一步。

他们的研究结果令人鼓舞。误差缓解技术被证明是有效的，误差率最多可降低100倍。此外，这些技术还有望用于更大规模的计算，这对实际应用至关重要，因为更大规模的计算自然会带来更多噪声。
在这项工作中，研究人员比较了三种不同的误差缓解技术：后选择，回波验证( echo verification, EV)和虚拟蒸馏(VD)——在零阶子空间中准备基态的问题的性能，使用多达20个超导量子处理器。 该研究团队验证了最近引入的误差缓解策略：这些策略利用了量子算法的理想输出将是纯态的期望；随后，研究人员考虑了在零阶子空间中模拟电子系统的任务，其中所有电子都与相反的自旋配对，这为建立一个完全关联的模型提供了计算基础。比较了在超导量子比特量子处理器的多达20个量子比特后，科学家通过时间或空间上加倍量子资源的误差缓解性能，观察到误差减少了一到两个数量级、低于较不复杂的技术，如后选择技术。 

在超导量子器件上，10个空间轨道Richardson–Gaudin，RG模型基态的数字量子模拟

将RG模型的模拟缩放到更大的量子比特计数

在高级-零子空间中，模拟的顺旋cyclobutene，CB开环路径
同时，他们还研究了误差缓解的增益随系统规模的变化情况，并观察到随着资源的增加，误差得到了多项式级别的抑制。这一研究结果的外推表明，对于经典的难以处理的变分化学模拟，需要大量的硬件改进，以进一步提高计算的准确性和可靠性。
对于这一成就，谷歌量子人工智能量子算法主管瑞安·巴布希(Ryan Babbush)说：“从高层次上讲，误差抑制技术是以增加重复次数，通常是增加电路体积来换取准确度提高的方法。权衡的代价有多大，取决于噪声的强度。”
虽然量子计算机具有进行精确化学模拟的潜力，但仍有许多工作要做。谷歌与科思创的合作表明，双方在减少误差方面取得了重大进展；然而，实现计算的效率和速度仍然是一个需要进一步探索的领域。 参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02240-y#Sec4[2]https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2023/10/202310142163152287469.shtm[3]https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_24968036

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