验证量子计算机的工作

未来的量子计算机最终可能会超越经典计算机，以解决计算机科学、医学、商业、化学、物理学和其他领域的棘手问题。但这些机器还没有出现：它们充满了固有的错误，研究人员正在积极努力减少这些错误。研究这些误差的一种方法是使用经典计算机来模拟量子系统并验证其准确性。唯一的问题是，随着量子机器变得越来越复杂，在传统计算机上运行模拟它们将需要数年或更长时间。

现在，加州理工学院的研究人员发明了一种新方法，通过这种方法，经典计算机可以测量量子机器的错误率，而无需完全模拟它们。该团队在《 自然》杂志上的一篇论文中描述了这种方法。

“在一个完美的世界里，我们希望减少这些错误。这是我们领域的梦想，“该研究的主要作者、在加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）实验室工作的研究生亚当·肖（Adam Shaw）说。“但与此同时，我们需要更好地了解我们系统面临的错误，以便我们能够努力减轻它们。这促使我们想出一种新的方法来评估我们系统的成功。

在这项新研究中，该团队使用一种称为量子模拟器的简单量子计算机进行了实验。量子模拟器的范围比当前基本的量子计算机更有限，并且是为特定任务量身定制的。该小组的模拟器由单独控制的里德堡原子（处于高度激发态的原子）组成，他们使用激光操纵这些原子。

模拟器和所有量子计算机的一个关键特征是纠缠——一种现象，即某些原子在没有实际接触的情况下相互连接。当量子计算机处理一个问题时，纠缠自然会在系统中建立起来，无形地连接原子。去年，Endres、Shaw及其同事发现，随着纠缠的增加，这些连接以混乱或随机的方式扩散开来，这意味着小的扰动会导致大的变化，就像蝴蝶的扇动翅膀在理论上可以影响全球天气模式一样。

这种日益增加的复杂性被认为是量子计算机能够比经典计算机更快地解决某些类型的问题的原因，例如密码学中必须快速分解大量数字的问题。

但是，一旦机器达到一定数量的连接原子或量子比特，它们就无法再使用经典计算机进行模拟。“当你超过30个量子比特时，事情就会变得疯狂，”Shaw说。“你拥有的量子比特和纠缠越多，计算就越复杂。

这项新研究中的量子模拟器有60个量子比特，Shaw说，这使其处于无法精确模拟的状态。“它变成了第22条军规。我们想研究一种经典计算机难以工作的制度，但仍然依靠这些经典计算机来判断我们的量子模拟器是否正确。为了应对这一挑战，Shaw及其同事采用了一种新方法，运行经典的计算机模拟，允许不同数量的纠缠。Shaw 将此比作用不同大小的画笔作画。

“假设我们的量子计算机正在将 蒙娜丽莎 画成一个类比，”他说。“量子计算机可以非常有效地绘画，理论上可以完美地绘画，但它会犯错误，使绘画的某些部分涂抹掉油漆。这就像量子计算机的手在颤抖。为了量化这些误差，我们希望我们的经典计算机能够模拟量子计算机所做的事情，但是我们的 蒙娜丽莎 对它来说太复杂了。就好像经典计算机只有巨大的刷子或滚筒，无法捕捉到更精细的细节。

“取而代之的是，我们让许多经典计算机用越来越精细的画笔画出同样的东西，然后我们眯起眼睛，估计如果它们是完美的，它会是什么样子。然后我们用它来与量子计算机进行比较并估计其误差。通过多次交叉检查，我们能够证明这种’眯眼’在数学上是合理的，并且非常准确地给出了答案。

研究人员估计，他们的60量子比特量子模拟器的错误率为91%（或9%的准确率）。这听起来可能很低，但实际上，对于该领域的状态来说，它是相对较高的。作为参考，2019年谷歌实验中，该团队声称他们的量子计算机性能优于经典计算机，其准确率为0.3%（尽管它与本研究中的系统类型不同）。

Shaw说：“我们现在有一个基准来分析量子计算系统中的错误。这意味着，当我们对硬件进行改进时，我们可以衡量改进的效果。此外，有了这个新的基准，我们还可以测量量子模拟中涉及多少纠缠，这是其成功的另一个指标。

题为“在60原子模拟量子模拟器上对高度纠缠态进行基准测试”的 Nature 论文由美国国家科学基金会（部分通过加州理工学院量子信息与物质研究所，或IQIM），国防高级研究计划局（DARPA），陆军研究办公室，美国能源部量子系统加速器，Troesh博士后奖学金资助。 德国国家科学院利奥波尔迪纳和加州理工学院沃尔特伯克理论物理研究所。加州理工学院的其他作者包括前博士后 Joonhee Choi 和 Pascal Scholl;Ran Finkelstein，Troesh 物理学博士后学者研究助理;安德烈亚斯·埃尔本（Andreas Elben），谢尔曼·费尔柴尔德（Sherman Fairchild）理论物理学博士后学者研究助理。麻省理工学院的 Zhuo Chen、Daniel Mark 和 Soonwon Choi （BS ’12） 也是作者。