基于 Sycamore 处理器实现量子优越性高精度

cslehe

#111723#Google 继客岁发布实现量子优胜性后，终究迎来了又一严重停顿——初次实现应用量子盘算机对化学反映停止摹拟。
8 月 27 日，Google 量子研讨团队发布其在量子盘算机上摹拟了迄今最大范围的化学反映。相干结果登上了《迷信》杂志的封面，题为《超导量子比特量子盘算机的 Hartree-Fock 近似摹拟》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。
为了实现这项最新结果，研讨职员应用 Sycamore 处置器，摹拟了一个由两个氮原子和两个氢原子构成的二氮烯份子的异构化反映。终究，量子摹拟与研讨职员在经典盘算机长进行的摹拟分歧，验证了他们的任务。
值得一提的是，这项新研讨所用的 Sycamore 处置器曾在 2019 年惊动天下，并在客岁 10 月，助力 Google 量子团队的研讨登上《天然》杂志 150 周年版的封面。
在对于 Sycamore 的论文中，它在 200 秒以内所实现目的盘算量须要事先天下最快的超等盘算机上延续盘算 1 万年。由此，Google 发布实现量子优胜性，即证实量子盘算在某些成绩上的处置才能超越经典盘算机。论文的 76 名作者表现，间隔量子盘算机有代价的短期利用只有一步之遥。
该论文宣布后，Google CEO 皮查伊在接收《麻省理工科技批评》专访时曾表现，“此次变乱就像莱特兄弟发现飞机一样。固然飞机第一次试飞只飞了 12 秒钟，看起来没有现实用途，但它证实了飞机飞翔的可能性。”
皮查伊以为，实在量子盘算真正使人高兴的处所在于，依据已有的物理实践，咱们所处的宇宙在最基本的层面上遵守量子法令，因而初期的量子盘算利用能辅助咱们更好地懂得宇宙的任务方法，并在厥后逐步实现能按量子物理对份子和份子间感化停止准确摹拟，在医学和碳排放管理等触及化学的主要研讨范畴施展感化。
10 个月后，Google 用量子盘算机初次摹拟了化学反映，也算对皮查伊现在那番瞻望的初步落地。
对于此次结果，Google 研讨职员瑞恩 · 巴布希（Ryan Babbush）表现，固然这类化学反映可能绝对简略，也不长短量子盘算机而弗成为，然而这项任务对于量子盘算来讲依然是一大步。他说：“咱们当初在一个完整差别的标准长进行化学反映的量子盘算。之前的盘算任务基础上能够用铅笔和纸手工实现，但咱们当初看到的演示，确定须要电脑来实现。”
巴布希以为，将这个算法扩大到摹拟更庞杂的反映应当是很轻易的，摹拟大份子中的反映只要要更多的量子比特，而后对盘算停止微调。他说，将来咱们乃至能够应用量子摹拟开辟新的化学物资。
解锁量子盘算机新技巧
依据化学反映进程的量子力学定律对化学反映进程停止准确的盘算猜测，能够解锁新的化学范畴，改良现有产业。惋惜的是，因为量子变量的数目和统计量呈指数级扩展，除了最小的体系以外，全部其余量子化学方程的准确解依然没法用古代经典盘算机失掉。
与此同时，原子和份子之间受量子力学把持，因而量子盘算机无望成为准确摹拟它们的最好方式。也就是说，通过应用量子盘算机，应用其奇特的量子力学特征来处置经典盘算机难以处置的盘算，能够实现对庞杂化学反映进程的摹拟。
现在的量子盘算机曾经充足强盛，能够在某些义务中取得显明的盘算上风，不外此前，量子盘算机很难到达摹拟大原子或化学反映所需的精度。换句话说，量子盘算机能否能用于减速现在的化学反映量子摹拟技巧，还是一个悬而未决的成绩。
在这项最新的试验中，Google 团队解锁了这一利用。他们应用一个噪声鲁棒性的变份量子特点值求解算法（VQE） ，通适量子算法直接摹拟化学反映机制。
固然盘算会合在一个实在化学体系的 Hartree-Fock 近似摹拟上，但它是之前用量子盘算机停止化学盘算的两倍大，而且包括了十倍多的量子门操纵。值得一提的是，研讨验证了现在的量子算法能够到达试验猜测所需的精度，并翻开了通向实在摹拟量子化学体系之路。另外，Google 团队曾经宣布了试验的代码，它应用了化学量子盘算的开源库 OpenFermion。
图 | 用于演示量子优胜性和量子化学摹拟的量子盘算机
应用Sycamore 处置器实现高精度
这个试验是基于 Sycamore 处置器停止的，恰是它客岁展现了 Google 实现量子优胜性。
虽然这个最新试验应用更少的量子比特，但要处理化学键的成绩须要更高的量子门保真度。这也推进了新的、有针对性的校准技巧的开展，这类技巧能够最好地缩小偏差，以便诊断和改正偏差。

图 | 在 Sycamore 处置器的 10 个量子比特上摹拟的 Hartree-Fock 模子对份子多少外形停止能量猜测
量子盘算中的毛病可能来自量子硬件客栈中的种种起源。Sycamore 处置器有 54 个量子比特，由 140 多个自力可调谐元件构成，每个元件由高速摹拟电脉冲把持。要实现对全部安装的准确把持，须要对超越 2000 个把持参数停止微调，这些参数中即便产生渺小偏差，也会敏捷叠加到终究盘算中，积聚成大偏差。
为了准确地把持装备，Google 团队应用一个主动化的框架，将把持成绩映照到一个无数千个节点的图形上，每个节点代表一个肯定单个未知参数的物理试验。通过这张图，团队能够从装备的先验常识转移到高保真量子处置器，而且能够在一天以内实现。
终究，这些技巧和算法偏差改正技巧一同，使偏差下降了几个数目级。

左：氢原子线性链的能量跟着每个原子之间的键距增添而增添。实线是用经典盘算机停止的 Hartree-Fock 摹拟，而点是用 Sycamore 处置器停止的。
右：用 Sycamore 处置器盘算的每个点有两个精度器量（毛病率战争均相对偏差）。“Raw”是来自 Sycamore 处置器的非毛病减缓数据。“+PS”是来自校订电子数目的一种偏差加重范例的数据。“+Purification”是一种针对准确状况的毛病减缓办法。“+VQE”是全部偏差打消与电路参数的变更弛豫的组合。在 H8，H10 和 H12 长进行的试验表现，减缓毛病后机能失掉了相似的进步。
“量子纠错”才是要害
2015 年 10 月，澳大利亚新南威尔士大学首度应用硅制造出量子逻辑门，距今曾经快要 5 年时光。
这个时光并不算短，量子盘算机理当有更外显的开展才对，特别是在电子盘算器曾经为量子盘算机的开展指明偏向的情形之下。
中心的算术逻辑单位计划、把持单位计划、芯片的指令体系、编译器、编程言语、以致于软件生态都是现成的，量子盘算机只要要沿着之前的车辙，按部就班地抄功课，5 年时光，也许每人一台量子盘算机不太事实，但呈现小范围的商用应当不成成绩。
而之以是量子盘算机进度迟缓，“纠错”就是妨碍其开展的要害成绩之一。
实在的量子比特则远没有惯例的硅基电路般稳固，Google、IBM 和 Rigetti 采取的量子比特都由超导金属刻蚀而成的微纳谐振电路形成，固然这类硬件计划曾经较其余范例的量子比特更易于操控和电路集成。
每个量子线路有两个肯定的能态，咱们能够分辨记为 0 和 1。通过在这个线路上施加微波，研讨者就能使它处于此中一个状况，或许两个状况的恣意组合——比方说 30% 的 0 和 70% 的 1。
然而，这些 “旁边态” 会在极短的时光内弥散，或许说 “退相关”。乃至在退相关产生之前，噪声便可能会“触犯” 并转变这些量子态，让盘算成果“出轨”，朝不想要的偏向演变。
对于这件事，客岁 Google 宣布论文宣称实现量子优胜性的时间，就有一名加利福尼亚大学戴维斯分校的数学家格雷格 · 库珀伯格（Greg Kuperberg）对此“不认为然”，他同时也是一名量子盘算范畴的专家，他以为 Google 设定的目的并非成绩的中心。
以往，咱们多数将眼光聚焦到了所谓量子优胜性的身上，而疏忽了不那末 “劲爆” 却要害的范畴。
Rigetti 的开创人兼 CEO，物理学家 Chad Rigetti 对此打了一个活泼的比喻，假设你花一亿美元造了一台 10000 个量子比特的盘算机，当纠错成绩被处理的时间，它的威力宏大，而反之则是一台随机噪声产生器。
Google 明显曾经认识到了此中的成绩并动手处理。
实践上，有多种方式可应用量子盘算机来摹拟份子体系的基态能量。在这项研讨中，谷歌团队专一于量子算法的 “构建块” 或原初线路（circuit primitive），并通过 VQE 完美其机能。在经典设置中，原初线路等效于 Hartree-Fock 模子，而且是此前该团队为优化化学摹拟而开辟的算法中主要线路的构成部份。
这使得 Google 团队能够专一于扩展范围，而不会破费大批的摹拟价值来验证装备。因而，在扩大到 “超出传统” 范畴时，在该组件上的持重偏差减缓对于准确摹拟相当主要。
量子盘算中的毛病源于量子线路与情况的彼此感化，从而致使毛病的逻辑运算：即便很小的温度稳定，也可能致使量子比特偏差。
量子盘算机上摹拟化学反映的算法必需以较低的价值处理这些毛病，包含量子比特的数目和额定的量子资本，比方实现量子纠错码等。
现在，处理毛病最风行的方式就是应用 VQE。Google 团队抉择了几年前开辟的 VQE，它将量子处置器视为神经收集，并试图通过最小化本钱函数来优化量子电路的参数，处理噪声的量子逻辑。就像传统的神经收集能够通过优化来处理数据中的缺点一样，VQE 能够静态调剂量子电路参数处理量子盘算进程中产生的毛病。
来自物理学家的挑衅
在量子纠错的成绩，有一些来自物理学家的最新停顿。
在一篇 6 月 8 日宣布在《天然 · 物理》的研讨成果中，苏黎世联邦理工学院的 Andreas Wallraff 教学及其配合者演示了，他们能够通过 3 个帮助比特来探测，但不改正，一个 4 比特正方网格编码的逻辑量子比特中的毛病。
论文一出便激发质疑，“操控各个自力的量子比特都市引入必定的毛病，除非这个毛病可能低于某个特定的阈值，不然将初始比特与更多的比特胶葛只会增添更多的噪声”，一名来自 IBM 的物理学家 Maika Takita 说，“在演示任何事件之前你必需先想法做到谁人阈值以下。”
帮助比特以及其余纠错安装会引入更多的噪声，一旦计入这些效应，请求的毛病阈值将进一步大幅降落。想要让上述的纠错计划可行，物理学家必需将他们的毛病率降到 1% 以下。
Takita 说：“当我听到咱们到达了 3% 的毛病率时，我感到那太棒了。当初，我晓得它（毛病率）还须要大幅下降。”
值得留神的是，一旦该计划获得胜利，那末专一于量子盘算机的研讨者将“一夜回到束缚前”，全部的量子逻辑门都须要重做，全部的硬件计划都须要随之变动。
固然，这只是迷信家们针对这一成绩提出的一种可能解法，咱们不奢求可能立竿见影，但主要的是他们正在野着雷同的目的进发。   义务编纂:pj
更多内容阅读推荐：热水器水压小不出水怎么办