释放量子计算能力实现量子优势的自动化协议设计
想象一下这样一个世界，目前我们最好的超级计算机需要几个月才能破解的复杂计算可以在几分钟内完成。量子计算正在彻底改变我们的数字世界。在 2 月 19 日发表在《智能计算》杂志上的一篇研究文章中，研究人员推出了一种自动化协议设计方法，该方法可以比我们想象的更快地释放量子设备的计算能力。
量子计算优势代表了量子技术发展的一个重要里程碑。它标志着量子计算机在某些任务中超越经典超级计算机的能力。实现量子计算优势需要专门设计的协议。例如，随机电路采样在最近的实验中已经证明了有希望的结果。尝试使用随机电路采样必须考虑的一个问题是，必须仔细设计随机量子电路的结构，以扩大量子计算与经典模拟之间的差距。为了应对这一挑战，研究人员黄河亮、赵有伟和郭楚开发了一种自动化协议设计方法，用于确定量子计算优势实验中的最佳随机量子电路。
用于随机电路采样实验的量子处理器架构使用 2 量子位门模式。 2量子位门通过作用于两个量子位的状态来实现两个量子位之间的相互作用，从而构建量子电路，实现量子计算。为了确保在执行计算时充分发挥量子计算的优越性能，需要最大化经典模拟成本。然而，确定最佳随机量子电路设计以最大化经典模拟成本并不简单。
找到最佳随机量子电路首先需要穷尽所有可能的模式，然后估计每个模式的经典模拟成本并选择成本最高的一个。经典的仿真成本高度依赖于所使用的算法，但传统算法目前存在估计时间过长的限制。
作者提出的新方法使用薛定谔-费曼算法。该算法将系统分为两个子系统，并将它们的量子态表示为状态向量。算法的成本由两个子系统之间产生的纠缠决定。使用该算法评估复杂性所需的时间要少得多，并且随着随机量子电路尺寸的增加，优势变得更加明显。
作者通过实验证明了该方法获得的随机量子电路与其他算法相比的有效性。在祖冲智2.0量子处理器中，生成了五个随机量子电路，每个量子电路具有不同的薛定谔-费曼算法复杂度。实验结果表明，电路复杂度越高，成本也越高。
经典计算和量子计算之间的竞争预计将在十年内结束。这种新方法最大限度地提高了量子计算的计算能力，而不对量子硬件提出新的要求。此外，这种新方法能够获得经典模拟成本更高的随机量子电路的主要原因可能是量子纠缠的增长更快。将来，了解这种现象及其基础物理可能有助于研究人员利用量子优势实验探索实际应用。
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