Quantinuum科学家成功简化绝热量子计算

光子盒研究院

霍尼韦尔子公司Quantinuum研究人员在实现更高效的绝热量子计算方面迈出了重要一步，这对于解决复杂的组合优化问题至关重要。
根据研究小组在预印本服务器ArXiv上发布的研究论文，团队提出了新颖的张量网络算法，旨在优化绝热量子计算的关键组成部分——量子电路。

与使用Trotter乘积公式将绝热时间演化转换为量子电路的传统方法不同，研究人员采用了反绝热驱动来增强这一过程：这种增加通常会随着每个时间步增加电路的深度，从而需要更多的计算资源。
然而，此次的研究小组采取了一种不同的方法，通过对固定深度的参数化量子电路进行经典优化，在多个时间步长内同时封装绝热时间演化和反绝热驱动。换句话说，这种方法有助于引导量子系统在多个阶段平稳、高效地达到最低能量状态。最终，这样就可以捕捉量子系统的演化过程，而不需要越来越复杂的电路。

此次论文中的优化程序
论文报告称，这些优化电路大大优于传统的Trotter乘积公式。将这些方法应用于量子计算的模型系统：量子伊辛链（其大小从N=7到31不等），结果表明，经典优化电路在准备所考虑系统的基态方面更为有效。
研究人员还探索了这些优化量子电路在解决组合优化问题方面的潜力；这类问题出了名的难以解决，但在物流、金融和资源管理等各个领域却具有极其重要的意义。新方法从数值上证明，特定的一维量子多体系统可以通过附加浅层一维量子电路来准确表示，而浅层一维量子电路则使用标准的张量网络技术进行优化。
此外，研究还表明，通过采用相应的张量网络算法，该方法可扩展到二维量子系统。这种可扩展性至关重要，因为它表明这些方法有可能在未来应用于更复杂、更实际的问题。

黑实线表示Trotter电路在标准绝热扫描结束时，即在λ(T) = 1时，在总演化时间T至最大值T = 10的条件下达到的目标保真度和能量误差。Trotter电路达到的最佳值用星号表示，蓝色和红色虚线表示使用经典优化的反绝热电路在绝热演化过程中达到的目标保真度或瞬时能量误差，其中反绝热规电势是作为键维χ的MPO计算的。对于χ = 4 (χ = 8)，在绝热路径的末端实现了最大目标保真度和最小能量误差，并用蓝色圆圈（红色五角星）表示。此外，绿色实线表示理想绝热演化在l阶嵌套换向器（NC）规势辅助下实现的目标保真度和能量误差

这些发现意义深远。绝热量子计算是解决目前经典计算机难以解决的某些类型问题的一条大有可为的途径。通过完善和降低绝热演化所需的量子电路的复杂性，这项研究可以使量子计算的全部潜力更加接近现实。
Quantinuum的工作不仅为量子计算领域的技术挑战提供了切实可行的解决方案，还为应用绝热方法解决非局部、具有挑战性的经典问题开辟了新的可能性。
随着量子计算领域的不断发展，在基于门的量子计算机上高效模拟绝热过程的能力可能会带来从材料科学到密码学等多个学科的突破，并推动人们对功能齐全、高效的量子计算机的追求。
参考链接：[1]https://synthical.com/article/80b73e97-21ef-4171-b578-55a614e5752a[2]https://thequantuminsider.com/2023/11/13/quantinuum-scientists-algorithms-simplify-adiabatic-computing-paving-way-for-complex-problem-solving/

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