在现实应用的量子计算机中，一个很大的技术挑战是，需要大量的物理量子比特来处理计算过程中累积的计算错误，而此行为需要耗费大量资源和时间。近日，日本国立信息学研究所（NII）和日本电报电话公司（NTT）的研究人员们，发现了一个非常有效的软件方法[2]，该方法可将量子线路显著压缩，从而降低了对硬件开发的要求。虽然量子计算机离商业化还有一定的距离，但在早期的实验中，量子计算机的“量子优势”——即比经典计算机计算速度快数百甚至数千倍的能力，确实已得到了验证，且是在嘈杂中型量子（NISQ）处理器上实现的。不幸的是，NISQ设备在运行中依旧会出现大量错误。为了在现实世界中，真正应用“量子优势”，我们需要设计一个高容错的、可全面运行的大型量子计算机。目前，可将100个量子比特放置于NISQ设备中，但容错计算机需要至少数百万个量子比特，才能以足够低的错误率对逻辑信息进行编码。容错量子计算线路的实现，不仅可以使量子计算机变得更大，也使其运行时间变得更长（数量级别的增长）。反之，扩展的运行时间意味着计算更容易出错。虽然硬件的进步会弥补这一缺口，但是NII和NTT的研究人员们从软件开发角度，通过压缩大规模容错量子计算机中的量子线路，解决了这个问题。NII的研究人员表示，通过压缩量子线路，我们可以缩小量子计算机的体积和其运行时间，从而减少了对容错能力的要求。
为了保证大规模量子计算机体系结构的正常运行，需要通过纠错码来实现，而其中最常用的是表面码及其变体。研究人员们将重心放在其中的3D拓扑代码上，该代码特别适用于分布式量子计算机，且对不同的硬件都具有广泛的适用性。在3D拓扑代码中，因为量子线路看起来像交错的管道，所以又被称为“编织线路”。可以对编织线路的3D图进行压缩，来减少其所占体积。
图2｜编织线路（来源：Quantum Computing）迄今为止，这种对于管道的操纵技术都是临时特设的，实际操作中可以参照的规则少之又少。NII的另一研究人员表示，以前的压缩方法并不能保证量子线路都是正确的，在参照鲜有的压缩规则进行压缩时，必须再次小心翼翼核检其正确性。而这一系列的操作，堪比运行整个量子线路的困难性。研究团队建议在中间编译阶段时使用ZX演算作为语言，ZX演算是一种2D图形语言（使用图表和图像代替文字），专门用于直观表示量子比特的处理过程。更重要的是，它带有一整套操作规则。
研究人员通过ZX演算与编织线路组件之间的平移关系，来运用ZX演算。且他们已经证明，可以将逻辑门线路的这两种表示，利用一种一直隐藏在ZX演算中的新解释实现相互映射。ZX演算语言可以运用一组转换规则来改变线路结构，而不改变其基本的数学含义，从而确保其正确性。通过改变这种概念性结构，可以在最大程度上缩减线路的体积，一旦将这种新结构映射到实际的编织量子线路中，就可以获得相当大的压缩率。研究报告显示，采用这种技术后，压缩率最高可降低77％，比之前的最佳程度还降低了40%。同样参与此次研究的NTT的研究科学家表示，压缩方法及其进一步的发展，可以提前数年实现现实世界中的容错量子计算机。NII的量子信息科学官方表示，这可能成为未来操作系统开发的基础。虽然在完全可扩展的量子计算机上，实现这些软件的开发仍需要一些时间，但我们的方法可以大幅度减少硬件开发类的工作。[1]https://thequantumdaily.com/2020/11/16/new-circuit-compression-approach-could-deliver-real-world-quantum-computers-years-ahead-of-schedule/[2]https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/248606.php?from=483734
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