研究人員展示了可靠量子計(jì)算的新途徑

芝加哥大學(xué)的研究人員發(fā)表了一種新技術(shù)，通過獲得比傳統(tǒng)考慮的更高的能量水平來提高量子計(jì)算機(jī)的可靠性。量子計(jì)算中大多數(shù)先前的工作涉及“量子比特”，即編碼零或一的二進(jìn)制比特的量子模擬。相反，新工作利用了“qutrits”，即能夠表示零，一或兩個(gè)的三級(jí)trits的量子類似物。

UChicago小組與杜克大學(xué)的研究人員一起工作。這兩個(gè)小組都是EPiQC(實(shí)現(xiàn)實(shí)際規(guī)模量子計(jì)算)合作的一部分，這是NSF計(jì)算探險(xiǎn)。EPiQC的跨學(xué)科研究涵蓋從算法和軟件開發(fā)到架構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)，其最終目標(biāo)是更快地實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和計(jì)算創(chuàng)新方面的巨大潛力。

獲得更高的能量水平

這項(xiàng)工作可以在計(jì)算機(jī)科學(xué)中常見的基本時(shí)空權(quán)衡的背景下看待：程序可以通過使用更多內(nèi)存來加速，或者程序可以通過延長(zhǎng)更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間來減少內(nèi)存需求。但是在量子計(jì)算的背景下，近期機(jī)器在內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)都受到嚴(yán)格限制，這些權(quán)衡都不可接受。

EPiQC團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的解決方案是打破使用二進(jìn)制量子比特的抽象。“雖然二進(jìn)制邏輯對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)下的開關(guān)物理學(xué)有意義，但量子硬件本身并不是二元的，”芝加哥大學(xué)研究生Pranav Gokhale解釋說。實(shí)際上，量子計(jì)算機(jī)上的狀態(tài)屬于無限頻譜，因此量子比特僅僅是使用兩種狀態(tài)的人工設(shè)計(jì)選擇。

圖片來源：芝加哥大學(xué)

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過允許通過qutrits使用三種狀態(tài)，量子計(jì)算的基本操作之一是指數(shù)級(jí)更快，而不需要額外的內(nèi)存。該團(tuán)隊(duì)通過在真實(shí)噪聲條件下運(yùn)行的模擬驗(yàn)證了他們的發(fā)現(xiàn)。

“由于存在額外的狀態(tài)意味著更多可能的錯(cuò)誤來源，因此Qutrits確實(shí)需要付出代價(jià)，”Gokhale說。“盡管如此，我們的模擬結(jié)果表明，qutrits具有令人信服的優(yōu)勢(shì)，其可靠性比僅限量子位算法的近期基準(zhǔn)測(cè)試高2到10倍。”

彌合硬件和軟件之間的差距

該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)與EPiQC的跨學(xué)科重點(diǎn)很好地匹配，即彌合量子硬件和軟件之間的差距。這項(xiàng)工作的早期階段于今年1月在量子信息處理會(huì)議上展出，并獲得了最佳海報(bào)獎(jiǎng)。從那時(shí)起，該研究經(jīng)過精心調(diào)整，以匹配與超導(dǎo)和捕獲離子量子計(jì)算機(jī)專家合作開發(fā)的復(fù)雜硬件模型。

“通過定制算法以利用量子硬件的獨(dú)特功能，我們實(shí)現(xiàn)了效率提升，否則隱藏在硬件和軟件之間的抽象障礙之后，”Uchicago的Seymour Goodman計(jì)算機(jī)科學(xué)教授和EPiQC的首席執(zhí)行官Fred Chong說道。 。“在這種情況下，我們的硬件建模使我們重新審視并挑戰(zhàn)二進(jìn)制操作最適合計(jì)算的傳統(tǒng)觀念。”