验证量子芯片计算是否正确的方法

2020年01月26日 由 TGS 发表 838923 0
在向实际量子计算迈进的过程中,来自麻省理工学院、谷歌和其他地方的研究人员设计了一个系统,可以验证何时量子芯片能够准确地完成经典计算机无法完成的复杂计算。

量子芯片使用量子位来进行计算,量子位可以表示经典二进制位对应的两种状态,或者同时表示两种状态的“量子叠加”。这种独特的叠加态可以使量子计算机解决经典计算机实际上不可能解决的问题,这有可能推动材料设计、药物发现和机器学习等应用领域的突破。

全尺寸量子计算机将需要数以百万计的量子位元,在过去的几年里,研究人员已经开始开发NISQ芯片,它包含大约50到100个量子位。这足以证明“量子优势”,意味着NISQ芯片可以解决某些经典计算机难以解决的算法。然而,验证芯片按预期执行的操作可能非常低效。因为芯片的输出可能完全是随机的,所以需要很长时间来模拟步骤,以确定是否一切按计划进行。在《自然物理》杂志上发表的一篇论文中,研究人员描述了一种新的协议,可以有效地验证NISQ芯片是否执行了所有正确的量子操作。他们在一个运行在定制量子光子芯片上的量子难题上,验证了他们的协议。

研究人员的工作实质上是将量子电路产生的输出量子态追溯到已知的输入状态。这样做可以揭示在输入端执行了哪些电路操作来产生输出。这些操作应该总是与研究人员编写的程序相匹配,如果没有相匹配的程序,也可以利用这些信息来确定芯片的问题所在。

研究人员从神经网络中获得灵感,建立了一个新的“量子神经网络”,每一层代表一组量子操作。在实验中,研究小组成功地运行了一项用于证明量子优势的流行计算任务——“玻色子取样”,通常在光子芯片上进行。在本练习中,移相器和其他光学元件将操纵一组输入光子并将其转换为输出光子的不同量子叠加,最终任务是计算某个输入状态与某个输出状态匹配的概率,由于光子的不可预测行为,经典计算机几乎不可能计算出这些样本。据推测,NISQ芯片能相当快地计算它们。然而到目前为止,由于NISQ操作和任务本身所涉及的复杂性,无法快速且容易地验证,但重要的是,起码有了验证的希望。
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