研究人员展示了可靠量子计算的新途径

芝加哥大学的研究人员发表了一种新技术，通过获得比传统考虑的更高的能量水平来提高量子计算机的可靠性。量子计算中大多数先前的工作涉及“量子比特”，即编码零或一的二进制比特的量子模拟。相反，新工作利用了“qutrits”，即能够表示零，一或两个的三级trits的量子类似物。

UChicago小组与杜克大学的研究人员一起工作。这两个小组都是EPiQC(实现实际规模量子计算)合作的一部分，这是NSF计算探险。EPiQC的跨学科研究涵盖从算法和软件开发到架构和硬件设计，其最终目标是更快地实现量子计算在科学发现和计算创新方面的巨大潜力。

获得更高的能量水平

这项工作可以在计算机科学中常见的基本时空权衡的背景下看待：程序可以通过使用更多内存来加速，或者程序可以通过延长更长的运行时间来减少内存需求。但是在量子计算的背景下，近期机器在内存和运行时都受到严格限制，这些权衡都不可接受。

EPiQC团队发现的解决方案是打破使用二进制量子比特的抽象。“虽然二进制逻辑对传统计算机下的开关物理学有意义，但量子硬件本身并不是二元的，”芝加哥大学研究生Pranav Gokhale解释说。实际上，量子计算机上的状态属于无限频谱，因此量子比特仅仅是使用两种状态的人工设计选择。

图片来源：芝加哥大学

该团队发现，通过允许通过qutrits使用三种状态，量子计算的基本操作之一是指数级更快，而不需要额外的内存。该团队通过在真实噪声条件下运行的模拟验证了他们的发现。

“由于存在额外的状态意味着更多可能的错误来源，因此Qutrits确实需要付出代价，”Gokhale说。“尽管如此，我们的模拟结果表明，qutrits具有令人信服的优势，其可靠性比仅限量子位算法的近期基准测试高2到10倍。”

弥合硬件和软件之间的差距

该团队的发现与EPiQC的跨学科重点很好地匹配，即弥合量子硬件和软件之间的差距。这项工作的早期阶段于今年1月在量子信息处理会议上展出，并获得了最佳海报奖。从那时起，该研究经过精心调整，以匹配与超导和捕获离子量子计算机专家合作开发的复杂硬件模型。

“通过定制算法以利用量子硬件的独特功能，我们实现了效率提升，否则隐藏在硬件和软件之间的抽象障碍之后，”Uchicago的Seymour Goodman计算机科学教授和EPiQC的首席执行官Fred Chong说道。 。“在这种情况下，我们的硬件建模使我们重新审视并挑战二进制操作最适合计算的传统观念。”