研究揭示了大型系统中量子误差可“消除”的程度极限

Josiah01 · 发表于 2024-8-12 16:09:47

量子计算机有可能在一些实际相关的信息处理问题上超越传统计算机，甚至可能在机器学习和优化方面。但它们的大规模部署尚不可行，主要是因为它们对噪声很敏感，这会导致它们出错。
为解决这些错误而设计的一种技术被称为量子纠错，它被设计为“即时”工作，监控错误并在发生错误时恢复计算。尽管近几个月来在这方面取得了巨大进展，但这一策略在实验上仍然极具挑战性，并且需要大量的资源开销。
另一种方法称为量子误差缓解，其工作原理更为间接：不是在错误出现时立即纠正错误，而是运行充满错误的计算（或其修改版本）直至完成。只有在最后，人们才会回过头来推断正确的结果是什么。这种方法被提出作为在实现完全纠错之前解决量子计算机所犯错误的“替代”解决方案。
然而，麻省理工学院、里昂高等师范学院、弗吉尼亚大学和柏林自由大学的研究人员表明，随着量子计算机的规模越来越大、规模越来越大，量子误差缓解技术变得非常低效。
这意味着，误差缓解并非解决量子计算噪声这一长期问题的灵丹妙药。他们的论文发表在《自然物理》杂志上，为哪些缓解噪声对量子计算不利影响的方案注定无效提供了指导。
论文共同作者 Jens Eisert 向 Phys.org 表示：“我们正在考虑利用噪声量子门对近期量子计算的局限性。”
“我们的同事 Daniel Stilck França 刚刚证明了一个结果，该结果相当于近期量子计算的令人信服的局限性。他已经证明，对于对数深度的去极化噪声，人们将达到可以用有效的经典采样技术捕获的量子态。我们刚刚还在考虑量子误差缓解，但后来我们想：等等，这一切对量子误差缓解意味着什么？”
Yihui Quek、Daniel Stilck França、Sumeet Khatri、Johannes Jakob Meyer 和 Jens Eisert 最近发表的论文基于这一研究问题，旨在探索量子误差缓解的精确极限。他们的研究结果揭示了量子误差缓解在多大程度上有助于减少噪声对短期量子计算的影响。
论文第一作者郭益辉在接受 Phys.org 采访时表示：“量子误差缓解本应是量子误差校正的替代品，因为它对工程精度的要求较低，因此人们希望它是可以实现的，即使就目前的实验能力而言。”
“但是，当我们仔细研究这些相对简单的缓解方案时，我们开始意识到，也许你不能两全其美——是的，它们需要更少的量子比特和控制，但通常这是以必须运行整个系统令人担忧的大量次数为代价的。”
研究团队发现，一种具有局限性的缓解方案被称为“零误差外推”。该方案的工作原理是逐步增加系统中的噪声量，然后将噪声较大的计算结果转换回零噪声场景。
“从本质上讲，为了对抗噪音，你应该增加系统中的噪音，”奎克解释道。“即使凭直觉，也很明显这是不可扩展的。”
量子电路（即量子处理器）由一层又一层的量子门组成，每一层量子门都会接收前一层的计算结果并进一步推进计算。然而，如果量子门有噪声，那么电路中的每一层都会变成一把双刃剑，因为虽然量子门确实推进了计算，但量子门本身也会引入额外的误差。
“这产生了一个可怕的悖论：你需要很多层门（因此需要一个深电路）才能进行非平凡的计算，”Quek 说。
“然而，更深的电路也更嘈杂——它更有可能输出无意义的信息。因此，计算速度和计算错误累积速度之间存在竞争。
“我们的工作表明，存在一些极其恶劣的电路，后者的速度比最初想象的要快得多；以至于为了缓解这些恶劣的电路，你需要运行它们无数次。无论你使用什么特定的算法来缓解错误，这都是成立的。”
Quek、Eisert 及其同事最近的研究表明，量子误差缓解并不像某些人预测的那样具有可扩展性。事实上，该团队发现，随着量子电路规模的扩大，运行误差缓解所需的工作量或资源会大大增加。
艾瑟特说：“与所有行不通的定理一样，我们更希望看到它们是一种邀请，而不是一种阻碍。”
“也许通过研究几何上局部连接的成分，我们可以得到更乐观的结果，在这种情况下，我们的界限可能过于悲观。常见的架构通常具有这样的局部相互作用。我们的研究也可以看作是一种邀请，让我们思考更连贯的量子误差缓解方案。”
该研究团队的研究成果可为全球量子物理学家和工程师提供指导，激励他们设计出替代且更有效的方案来减轻量子误差。此外，它们还可以启发对随机量子电路理论方面的进一步研究。
Quek 表示：“之前针对量子误差缓解的个别算法进行的零散研究暗示这些方案不具备可扩展性。”
“我们提出了一个框架，可以涵盖这些单个算法的大部分内容。这使我们能够论证，其他人看到的这种低效率是量子误差缓解本身所固有的，与具体实施无关。
“这是通过我们开发的数学机制实现的，这是迄今为止已知的关于电路由于物理噪声而丢失量子信息的速度最强的结果。”
将来，Quek、Eisert 及其同事的论文可以帮助研究人员快速识别最有可能无效的量子误差缓解方案类型。该团队研究结果的关键概念见解是明确以下直觉：长距离门（即量子比特相距很远的门）既有利又有问题，因为它们很容易产生纠缠，从而加快计算速度，同时也会更快地在系统中传播噪声。
“当然，这引出了一个问题：如果不使用这些量子性和其最大敌人（即噪声）的‘超级传播者’，是否有可能获得量子优势，”奎克补充道。“值得注意的是，当在计算过程中引入新的辅助量子比特时，我们的所有结果都不成立，因此可能需要一定数量的辅助量子比特。”
在接下来的研究中，研究人员计划将重点从他们发现的问题转移到克服这些问题的潜在解决方案上。他们的一些同事已经在这个方向上取得了一些进展，他们结合使用了随机基准测试和量子误差缓解技术。

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