新的电路压缩技术可以提前几年交付现实世界的量子计算机

量子电路压缩

使用所提出的方法压缩具有882的初始体积的电路。降低电路的体积为420,少于其原始体积的一半。信贷:©国家信息学研究所

对于任何实际的、真实的量子计算机来说,一个主要的技术挑战来自于对大量物理量子位元的需求,以处理在计算过程中积累的错误。这样的量子误差校正是资源密集型和计算耗时的。但研究人员发现了一种有效的软件方法,可以对量子电路进行显著压缩,从而减轻了对硬件开发的要求。

量子计算机仍然远离商业现实,但是被称为“量子优势” - 量子计算机计算数百或数千次比经典计算机更快的能力 - 确实已经达到了被称为嘈杂的中间 -在早期原则上的尺寸量子(NISQ)器件上的原则上的原则上实验。

不幸的是,NISQ设备仍然容易出现在运行期间累积的大量错误。对于Quantum优点的任何实际应用,需要具有高误差容差的完全运行的大型量子计算机的设计。目前,NISQ设备可以设计大约100夸张,但容错计算机将至少需要数百万物理QUBITS来编码具有足够低的误差速率的逻辑信息。Quantum计算电路的容错实现不仅使得量子计算机更大,而且逐个运行时间变长。延长运行时本身又意味着计算更容易受到错误。

虽然硬件的进步可能解决这个资源缺口,研究所的研究人员信息(NII)和日本电报电话公司(NTT)在日本解决软件开发中的问题,压缩在大规模量子电路容错量子计算机,可能减少对硬件的改进。

“通过压缩量子电路,我们可以减小量子计算机的大小及其运行时,这反过来减少了对错误保护的要求,”Nii的研究员和一篇论文的作者之一,在11月发表11,2020,在物理评论X.

大规模量子计算机体系结构依赖于纠错代码来正常运行,最常用的是表面代码及其变体。

研究人员专注于这些变体之一的电路压缩:3d拓扑代码。该代码在分布式量子计算机方法中表现得特别好,并对不同类型的硬件具有广泛的适用性。在3d拓扑代码中,量子电路看起来像交错的管或管,通常被称为“编织电路”。编织电路的三维图可以被操纵来压缩,从而减少它们所占的体积。到目前为止,这种“管道操作”是以一种特殊的方式执行的。此外,关于如何做到这一点,目前只有部分规则。

“先前的压缩方法不能保证所得量子电路是否正确,”NII的研究员合辅Marta Estarellas表示。“每次应用这些压缩规则之一都必须非常小心检查其正确性。这是一个重要问题,因为这样的任务就像运行整个量子电路一样艰难。“

研究小组建议使用ZX-calculus作为中间编译阶段的语言。ZX-calculus是一种2D图表语言(使用图表和图像而不是文字),开发于2000年代后期,明确允许对量子比特过程的直观表示。更重要的是,它附带了一套完整的操作规则。

在本文中,研究人员通过发现ZX-COMPULUS与编织电路的部件之间的翻译关系来利用ZX-SUMBULUS。研究人员已经表明,通过识别彼此隐藏在ZX-Scalulus内的新解释,可以通过彼此映射逻辑栅极电路的这两个表示。

ZX-calculus语言可以应用一组转换规则来改变电路的结构,而不会改变其基本的数学含义(以及运算),从而确保其正确性。通过仔细改变这个概念结构,电路的体积可以被最小化,一旦这个新结构映射到实际的编织量子电路上,就可以实现相当大的压缩率。

应用这种技术,研究人员报告了高达77%的压缩减少,相当于与以往的最佳努力相比减少了40%。

NTT的研究科学家威廉·j·门罗(William J. Munro)也参与了这项研究,他说:“这种压缩方法及其进一步的发展,可以提前几年实现现实世界的容错量子计算机。”

“有趣的是,它也可能是未来的经营系统发展的基础,”NII全球信息科学研究中心主任Kae Nemoto表示。“这可能需要多年的这些软件开发,以便在完全可扩展的量子计算机中实现,但我们的方法可以在此期间可以节省与硬件开发相关的大量努力。”

参考:《zx微积分辅助下的量子编织电路的有效压缩》,作者:迈克尔·汉克斯,玛尔塔·p·埃斯塔雷利亚斯,威廉·j·门罗和凯·内本元,2020年11月11日,物理评论X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.041030

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作为一个跨大学的研究机构,国家科学技术学院为整个学术界的研究和教育活动(包括科学信息网络)建设和运营学术信息基础设施,并开发提供学术内容和服务平台等服务。

1条评论关于“新的电路压缩技术将提前几年交付现实世界的量子计算机”

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