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如何验证量子芯片是否正确计算?

2020-01-15 19:17:37 来源:

迈向实用量子计算的一步,来自MIT,Google和其他地方的研究人员设计了一种系统,可以验证量子芯片何时能够准确执行传统计算机无法执行的复杂计算。

量子芯片使用称为“量子位”的量子位执行计算,量子位可以表示对应于经典二进制位的两个状态(0或1)或两个状态的“量子叠加”。独特的叠加状态可以使量子计算机解决经典计算机几乎无法解决的问题,从而可能在材料设计,药物发现和机器学习等方面取得突破。

完整的量子计算机将需要数百万个量子位,但这还不可行。在过去的几年中,研究人员已开始开发包含大约50至100量子位的“噪声中级量子”(NISQ)芯片。这足以证明“量子优势”,这意味着NISQ芯片可以解决某些传统计算机难以处理的算法。但是,验证芯片是否按预期执行操作会非常低效。芯片的输出看起来可能完全是随机的,因此需要很长时间来模拟步骤以确定一切是否按计划进行。

在《自然物理学》上发表的一篇论文中,研究人员描述了一种新颖的协议,可以有效地验证NISQ芯片已经执行了所有正确的量子操作。他们在定制量子光子芯片上运行的一个非常困难的量子问题上验证了其协议。

“随着工业和学术界的飞速发展,我们已经超越了能超越传统机器的量子机器的风口浪尖,量子验证的任务变得至关重要,”电子工程和计算机科学系的博士后第一作者雅克·卡洛兰(Jacques Carolan)说。 EECS)和电子研究实验室(RLE)。“我们的技术为验证多种量子系统提供了重要工具。因为如果我投资数十亿美元来制造量子芯片,那肯定会做一些有趣的事情。”

麻省理工学院的EECS和RLE的研究人员以及Google Quantum AI实验室,Elenion Technologies,Lightmatter和Zapata Computing的研究人员也与Carolan一同加入了论文。

分而治之

研究人员的工作实质上是将量子电路生成的输出量子状态追溯到已知的输入状态。这样做可以揭示对输入执行了哪些电路操作以产生输出。这些操作应始终与研究人员编写的程序匹配。如果不是这样,研究人员可以使用这些信息来确定芯片上哪里出了问题。

卡罗兰说,新协议的核心是“可变量子解采样”,它是一种“分而治之”的方法,它将输出量子状态分解为多个块。“我们不需要一次很长时间地完成全部操作,而是逐层进行这项无扰的工作。这使我们能够分解问题,以更有效的方式解决它。” Carolan说。

为此,研究人员从神经网络中汲取了灵感-神经网络通过多层计算解决了问题-建立了一个新颖的“量子神经网络”(QNN),其中每个层代表一组量子运算。

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