开发量子计算机编译加速技术

为了让量子计算机执行任务，它必须使用编译器将用编程语言编写的指令转换为量子位(简称量子位)上的门*3操作序列。我们之前将最优控制理论(GRAPE*4算法)应用于穷举搜索，以开发一种识别理论上最优门序列*5的方法，但随着量子位数量的增加，可能的组合数量也会增加。

随着数量呈爆炸式增长，彻底的搜索变得不可能。例如，如果我们要执行详尽的搜索来找到生成6个量子位的任意量子态的最佳门序列，则使用当前可用的最快的经典计算机将花费比宇宙年龄更长的时间。

因此，我们成功开发出一种利用概率方法寻找最优量子门序列的方法，并利用超级计算机富岳验证并证明了一种新的概率随机搜索方法可以在几个小时内找到上述问题的最优量子门序列。

这种新方法有望加速量子计算机编译器的速度，成为实用量子计算机的有用工具，并提高量子计算机设备的性能。它还可以应用于优化量子中继节点的量子信息处理，因此有望为实现量子互联网和减少环境影响做出贡献。

该成果发表在美国科学期刊《物理评论A》上。

目前正在开发的量子计算机预计将对社会产生重大影响。它们的好处包括通过减少能源消耗来减轻环境负担、寻找医疗用途的新化学物质、加速寻找更清洁环境的材料等。量子计算机的一大问题是量子态对噪声非常敏感，因此很难长时间保持稳定(保持相干量子态)。

为了获得最佳性能，操作必须在允许量子态保持相干的时间内进行。然而，除了量子位数量非常少的特殊情况外，目前还没有好的方法来找到最佳的量子门序列。人们正在等待一种解决方案，即使在大规模量子计算中，也可以避免可能的门序列数量爆炸性增加的困难，并允许在经典计算机上可以执行的时间和计算资源内进行有效的搜索。

研究团队引入概率方法来开发一种系统方法，可以在执行时间和计算资源内有效搜索最佳量子门序列。

当计算机存储和处理信息时，所有信息都会转换为值为0或1的比特串。量子门序列是经过转换后以人类可读语言编写的计算机程序，以便可以对其进行处理通过量子计算机(参见术语表中的图4)。量子门序列由1量子位门和2量子位门组成。最好的序列是门数最少的序列，并且表现出最好的性能(词汇表中图4中红色方块和绿色垂直线的数量最少)。

图1显示了使用最优控制理论算法GRAPE准备n个量子位状态时，在最快的经典计算机上对每个门排列进行搜索以优化保真度*6F时的估计计算时间。蓝色实线就是所谓的宇宙年龄(137亿年)。随着量子比特数量的增加，可能的组合数量呈爆炸式增长，因此在n=6时，总计算时间超过了宇宙的年龄。

对小量子比特数的所有可能序列的分析表明，存在许多最佳量子门序列(如附录中的图5所示)。这表明可以扩展到大型量子任务并使用概率搜索方法而不是穷举搜索来找到最佳量子门序列。

图2显示了用于准备由n=8量子位组成的状态的保真度F=1的序列的出现率(p)，这是使用超级计算机Fugaku进行研究的。速率p表示为序列中2量子位CNOT门(N)数量的函数。很明显，概率方法非常有效，因为当超过N的下限(N=124)时，F=1的出现率会迅速增加。例如，在N=129(略高于N=124)处，F=1的出现率超过50%，因此如果您搜索两次门排列，您将找到F=1的量子序列平均至少一次(见附录表1)。这样，已经发现，通过使用概率方法，可以比使用穷举搜索方法进行搜索时快几个数量级来搜索最佳量子门序列。

所开发的为量子计算机提供最佳量子门序列的系统和概率方法有望成为实用量子计算机的有用工具并加速量子计算机编译器。有望提高量子计算设备的性能(见图3)，为量子互联网中量子节点的发展和减轻环境负担做出贡献。

未来，研究团队将把本研究的成果与机器学习方法相结合，应用于优化量子计算机的性能，旨在进一步加快量子编译器的速度，并创建最佳量子门序列的数据库。

词汇表

*1量子门序列一组指令，指定在多个量子位上执行门*3

操作的步骤。在图4中，6条水平蓝线代表6个量子位，输入位于左侧，输出位于右侧。操作是从左到右执行的。每个红色方块代表一个1量子位门，每条连接两条蓝线的绿色垂直线代表一个2量子位门。量子门序列由1量子位门和2量子位门序列组成，但最佳序列是以最少数量的门实现高性能的序列。

开发量子计算机编译器加速技术-概率方法将最佳门序列搜索时间减少几个数量级-

图4量子门序列(概念图)

*2概率方法

随机尝试可能的解决方案并可能成功或失败的计算方法。如果有很多解决方案，概率方法可能比分析所有可能解决方案的方法表现得更好。

*3门

对一位或两位信息执行的简单操作。最近的几项研究提出了用于构建执行各种量子任务的量子门序列的改进方法(配方)。然而，这些方法不一定会产生最短的量子门序列。

*4GRAPE

GRadientAscentPulseEngineering的缩写。一种数值算法，利用最优控制理论的原理来找到控制量子系统的最佳脉冲。

*5开发了一种将最优控制理论(GRAPE*4算法)应用于穷举搜索的方法

，以确定理论上最优的门序列。2022年9月2日的新闻稿，

“系统地寻找量子计算机最佳量子操作序列的新方法已开发出来”

*6保真度

两个量子态“接近程度”的衡量标准。它表示一个量子态通过被识别为另一种量子态的测试的概率。如果两个量子态相同，则它们之间的保真度等于1(F=1)。保真度也被推广用作两个酉算子之间“接近程度”的衡量标准。

*7给出F=1的理论下限

量子门序列中获得保真度F=1所需的CNOT门的最小数量。在n个量子位状态准备的情况下，随着量子位数量(n)的增加，可表示的状态参数的数量也增加，如附录表1中的“CNOT门数(NCNOT)”列所示。

CNOT门是一种双量子位门。当且仅当第一个量子位(控制量子位)为|1>时，它用于翻转第二个量子位(目标量子位)的状态。

*8量子相干性

0到1之间的数字，表示量子信息因设备噪声或其他缺陷而退化的程度。当信息首次输入量子处理器并且仍然完好无损时，量子相干指数等于1。如果量子相干指数等于0，则意味着原始信息完全丢失。

量子计算机进一步发展需要解决的最大问题之一是如何应对计算机内部噪声导致的信息逐渐丢失(无法维持相干量子态)。