量子电路压缩新方法: 有望提前实现商用量子计算机

要达到任何实际的、现实世界中的量子计算机，最重要的技术挑战在于需要大量的物理量子位来处理在计算过程中所累积的误差。正是这种量子误差校正耗费密集资源并且计算耗时，从而严重阻碍了量子计算机的商用化。

现在，科学家发现了一种有效的软件方法，可以显着压缩量子电路，从而缓解了对量子计算机硬件开发的要求。

量子计算机远未达到商业现实，所谓的“量子优势”，即量子计算机的计算能力比传统计算机快很多倍，实际上是在一个被称为“嘈杂的中级量子技术”基础上实现的。

“嘈杂的中级量子”技术，英语：Noisy Intermediate-Scale Quantum technology，简称：NISQ，这一术语由著名量子物理学家、量子信息科学先驱、加州理工学院量子信息与物质研究所所长、约翰·普雷斯基尔（John Preskilll）提出。许多人可能没听说过普雷斯基尔，但可能听说过他所提出的著名的“量子优势”或“量子霸权”一词。

“嘈杂的中级量子”技术NISAQ

普雷斯基尔提出，NISQ技术，对具有50-100量子位的量子计算机，可能能够执行超越当今经典数字计算机能力的任务，但是量子门的噪声将限制可以可靠执行的量子电路的大小。NISQ设备将成为探索多体量子物理学的有用工具，并可能具有其他有用的应用程序，但是100量子位的量子计算机不会立即改变世界，我们应该将其视为迈向更强大功能的重要一步未来的量子技术。

问题在于，NISQ设备易于在运行过程中累积许多错误。为了在现实世界中应用量子优势，需要设计一种具有高容错性的、可全面运行的大规模量子计算机。当前，可以将NISQ设备设计成具有大约100量子比特，但是容错计算机将至少需要数百万个物理量子比特，才能以足够低的错误率对逻辑信息进行编码。量子计算电路的容错实现，不仅使量子计算机更大，而且使运行时间更长了几个数量级，扩展的运行本身反过来意味着计算更容易出错，从而形成一种恶性循环。尽管量子计算硬件的进步将可能解决这一资源缺口，但从目前来看还需要较长的一段时期才能有所突破。

现在，日本国立信息学研究所（NII）和日本日本电报电话公司（NTT）的研究人员，通过压缩大规模容错的量子电路，从软件开发方面解决了这一问题，潜在地减少了对量子计算机硬件改进的需求，有望通过这一电路压缩的新方法，可以提前数年交付现实世界的量子计算机。该最新研究发现论文，题为：“ZX演算辅助量子编织电路的有效压缩”，发表在最新的《物理评论X》上。

论文第一作者之一、NII研究员、迈克尔·汉克斯（Michael Hanks）说：“通过压缩量子电路，我们可以减小量子计算机的尺寸及其运行时间，从而减少对错误保护的要求。”如图所示使用建议的方法压缩初始体积为882的电路，压缩后的精简电路的体积为420，小于原始体积的一半。

ZX演算电路压缩

大规模量子计算机体系结构依赖于纠错码才能正常运行，其中最常用的是表面码及其变体。研究人员专注于这些变体之一的电路压缩：3D拓扑代码（3-D-topological code）。该代码在分布式量子计算机方法中表现特别出色，并且对不同种类的硬件具有广泛的适用性。

3D拓扑代码

在3D拓扑代码中，量子电路看起来像是交错的管子或管道，通常称为“编织电路”（braided circuits）。编织电路的3D图可以进行压缩，从而减小其占据的体积。到目前为止，挑战在于这种“管道操纵”是以临时方式执行的，而且，如何做到这一点仅存在一部分规则。

论文作者之一、NII研究员、玛塔·埃斯塔雷拉斯（Marta Estarellas）说：“以前的压缩方法不能保证所得的量子电路是否正确。” “每次应用这些压缩规则之一时，都必须非常小心地检查其正确性。这是一个重要的问题，因为这样的任务就像运行整个量子电路一样困难。”

研究团队建议使用称为ZX演算（ZX calculus）作为此中间编译阶段的语言。 ZX演算是2000年代后期开发的一种二维图解语言，即使用图表和图像代替词汇，专门用于直观表示量子位过程。更重要的是，它带有一整套操作规则。

ZX演算图解语言

研究人员通过发现ZX演算与编织电路组件之间的平移关系来利用ZX演算。研究人员表明，通过识别一直隐藏在ZX演算中的新解释，可以将逻辑门电路的这两种表示形式相互映射。

3D拓扑代码ZX演算

ZX演算语言可以应用一组转换规则来更改电路的结构，而无需更改其基本的数学含义，因此也可以更改其操作，从而确保其正确性。通过仔细更改该概念结构，可以将电路的体积降至最小，一旦将这种新结构映射到实际的编织量子电路，就可以实现相当大的压缩率。

研究人员报告说，采用这种技术后，压缩率降低了77％，与以前的最佳努力相比，降低了40％。论文作者之一、NTT研究科学家、William J. Munro表示：“压缩方法及其进一步的开发可以提前数年实现现实世界的容错量子计算机的实现。”

该研究论文主导、NII量子信息科学全球研究中心主任、根本香絵表示：“有趣的是，它也可能是未来操作系统开发的基础。 “要在完全可扩展的量子计算机中实施这些软件开发，仍需要花费很多年，但与此同时，我们的方法可以节省与硬件开发相关的大量工作。”

根本香絵

根本香絵，英文名：Kae Nemoto，著名日本理论物理学家，她以在光子学、超辐射、量子能量传输、和线性光学量子计算方面的研究而闻名，同时是美国国立信息学研究所和研究生院教授、日本-法国信息学实验室联合主任。她于1993年获得硕士学位，并于1995年获得博士学位。2015年为美国物理学会（APS）院士、物理研究院院士，被誉为“是开拓了量子信息处理和通信的量子光学实现理论的先驱”。

参考：Effective Compression of Quantum Braided Circuits Aided by ZX-Calculus, Physical Review X.Published 11 November 2020. DOI: 10.1103/PhysRevX.10.041030

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