4個量子比特模擬8倍大的高保真電路：潘建偉等提出電路切割方案

儘管近期的量子計算設備在所謂的NISQ時代仍然受限於量子比特的數量和質量，但量子計算的優勢已經通過實驗證明。此外，量子計算和經典計算的混合架構已成爲展示NISQ應用的主要範例，其中重複應用低深度量子電路。爲了進一步擴大NISQ設備可解決的問題規模，還可以通過將量子電路“切割”成不同的部分來減少物理量子比特的數量。

近日，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志和南方科技大學翁文康等通過實驗演示了一種全新電路切割方法：僅使用4個物理超導量子比特，成功模擬了涉多達33個量子比特的線性團簇態，並實現了更高的電路保真度。預印論文《具有較少超導量子比特的較大量子電路的實驗模擬》已經提交到ArXiV網站。

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NISQ時代的應用：需要更小的量子設備

量子計算在許多應用上提供了比經典計算更高的潛在速度，如因式分解、非結構化搜索和量子模擬。然而，這些應用要求量子計算機具有容錯性，但目前的量子技術還無法做到這一點：我們剛剛進入含噪聲中等規模量子（NISQ）時代，這意味着物理量子比特的數量在計算空間上是可觀的，但它們是易錯的、或有噪聲。最近的量子計算實驗演示涉及約50-60個量子比特。雖然從存儲器的大小來看，它們可能已經超過了經典超級計算機的極限；但可錯的噪聲門限制了目前量子設備上運行的量子電路的深度，構成了實際應用的主要障礙。

因此，用更小的量子設備解決大問題是有實際意義的，甚至可以通過使用更多的經典資源來換取。

這個主題可以大致分爲兩個分支；一個是算法層面，另一個是電路層面。前者是將一個大問題分解成較小的子問題，每個子問題由一臺小型量子計算機來解決。包括量化經典的分割和征服算法，以解決組合優化問題；以及深度變分量子算法框架——該框架適用於模擬子系統之間相互作用很弱的物理系統。電路層面的方案是將一個大的量子電路分解成更小的部分，獨立實現每一個部分，最後用經典計算機來組合計算結果。

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電路切割方案：模擬超導量子比特子電路的線性團簇態

此次，這個中國團隊選擇從電路層面解決這一問題。該團隊實驗實現了類似斷層掃描的電路切割方案，來模擬大型線性團簇態（linear-cluster states）。由於線性團簇態的對稱性，該團隊最終只需要運行最多4個超導量子比特的子電路，模擬的線性團簇態可以擴展到33個量子比特。

團簇態是一系列高度糾纏的狀態，它可以用來實現基於測量的量子計算。也就是說，只需對團簇態進行測量，就可以進行普遍的量子計算；其中，線性團簇態是團簇態的一個具體例子，所有的量子比特都在一個維度上排列。

爲了分析性能，團隊還使用了穩定器技術來估計保真度下限。然後，將其與之前直接製備12量子比特狀態的工作中得到的保真度界限進行比較。採用電路切割方案，4個量子比特模擬12量子比特團簇態的實驗保真度界限可以達到0.734，這比之前直接在12量子比特超導處理器上模擬的實驗高出約19%。

這一實驗結果表明，電路切割方案有可能成爲NISQ應用中的一個標準工具。

(a)處理器結構圖，團隊選擇Q3至Q6的量子比特作爲4量子比特子電路，Q4至Q6的量子比特作爲3量子比特子電路。(b)4量子比特子電路的測量基準波形。(c)3量子比特子電路的測量基準波形。

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未來：充分挖掘電路切割潛力，確定最佳切割點

在這項工作中，該團隊通過實驗證明了一種電路切割方案，並模擬了更大的線性團簇態，其大小可擴展到33個量子比特，最多使用4個量子比特。在12個量子比特的情況下，與之前直接製備12個量子比特狀態的工作相比，實現了更高的保真度，爲電路切割方案的適用性提供了佐證。

在NISQ時代，用小型量子器件模擬大型量子電路是一個很有前景的方向。目前，存在幾種電路切割方案；有必要進一步對這些方案進行實驗基準測試，以評估其在實踐中的適用性。另一方面，儘管電路切割方案提供了將量子電路切割成小塊的系統方法，但是目前，還沒有確定最佳切割點的一般方法。因此，該團隊在最後寫道，“電路切割的潛力還沒有被充分挖掘出來。”

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2207.14142