科学家实现最高效量子线路

Original Toney Tang 量子客 2021-06-23

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编辑:丁艳，校对：量豆豆

量子计算的一大挑战，便是量子线路中的门易出错。印度科学研究所（IISc）的研究人员设计了一种算法，该算法能够从理论上构建最高效的量子线路，大幅减少所需的计算资源。该研究已发表于《物理评论快报》[1]期刊。

量子线路当下存在问题

在门型量子计算里，量子算法通过在量子比特上应用量子门（Quantum Gate）来执行计算。用量子门集表示的量子算法称为量子线路。经典线路由通用逻辑门（例如与门和非门）组成，每个逻辑门都对输入执行预定义的操作以产生输出。

类似地，制造量子线路也用到通用量子门。但在真实计算芯片上，量子门的效率并不是100％有效的；每个门的输出都存在一定程度误差，这个误差难以消除，随门的数量增加而不断地增加。

优化效率

如何提升量子线路的效率成了量子计算研究的一大问题，印度科学研究所（IISc）的研究人员使用数学模拟解决了这个问题。他们设计了一种算法来明确计算必要的计算资源数量，并对其进行优化以获得最大效率。

IISc高能物理中心副教授Aninda Sinha表示：“我们能够从理论上构建最高效的线路，大幅减少所需的计算资源。”他们发表在PRL上的论文指出，这是量子线路可以达到的最大效率。

（量子线路每一层的容错度不同，底层容错度最小，来源：PRL）

并不是将输出的错误最小化，而是将获得同样的输出所需的资源最小化。“因此问题可以归结为：给定净误差容限（Net Error Tolerance），构造量子线路所需的最少门数是多少？” 论文的共同作者Pratik Nandy指出。

研究内容

2006年，由昆士兰大学Michael Nielsen领导的一项研究[2]表明，通过计算门的数量来实现最大效率等同于在某些体积为V的数学空间中找到两点之间距离最短的路径。2016年的另一项研究[3]认为，该门的数量应随体积V的变化而直接变化。

Sinha说：“我们回顾了Nielsen的研究，结果证明门的数量不直接随V变化，而是随V^2变化而变化。” Sinha和他的团队总结了该研究的假设，并进行了一些修改以解决优化问题，计算表明，最少的门的数量确实随体积而变化。

令人惊讶的是，他们的结果似乎也将效率优化问题与弦理论联系起来，弦理论是一个试图将经典力学和量子物理学结合起来解释宇宙如何运作的著名理论。Sinha的团队认为，这种联系的证明对帮助科学家解释有关引力的理论很有帮助。此外，他们还致力于开发描述量子线路集合的方法，以计算某些无法用现有方法从理论上模拟的实验数量。