任意幾何形狀的隨機量子電路的計算能力
The computational power of random quantum circuits in arbitrary geometries
論文發表於：arViv:2406.02501v1[quant-ph] 4 Jun 2024
利創智能圖靈學院編輯部整理2024年6月10日星期一
圖1展示了如何在H2量子計算機上執行具有任意連接性的高密度門電路。這個圖分為六個部分，展示了電路的執行過程和量子比特的配置方式。
在這篇論文中，研究了隨機量子電路在任意幾何形狀中的計算能力，突出了經典和量子計算機之間的差距。它介紹了Quantinuum的H2量子計算機的升級，使其能夠以高保真度和任意連接性操作56個量子位元。文件展示了在H2上執行高度連接幾何形狀上的隨機電路取樣，顯示即使在低電路深度下，經典模擬也具有挑戰性。論文強調，H2的計算能力受限於量子位元數量，而不是保真度或時鐘速度，暗示隨著量子位元數量擴展，基於量子相干控制脈波的離子陷阱量子計算機和經典計算機之間的差距將迅速擴大。文中還討論了H2量子計算機的設計技術細節、基準結果和隨機電路取樣的困難，展示了量子計算中的進展和挑戰。Fig.1 是一個展示 H2 系列量子計算機構造的圖。該量子計算機是建立在一個類似賽道形狀的表面電極陷阱周圍，每個量子位元編碼在 171Yb+ 離子的2S1/2 |F = 0(1), mF = 0⟩ ≡ |0(1)⟩ 超精細狀態中，並使用 138Ba+ 離子作為輔助冷卻劑。每個彩色圓圈代表一個 Yb 離子（量子位元），它儲存在一個與單個 Ba 冷卻離子平行的雙離子晶體中（晶體順序在軌道周圍交替為 Yb-Ba 和 Ba-Yb）。在應用雙量子位元閘門或交換兩個量子位元之前，與這兩個量子位元相關的晶體會合併成一個 Yb-Ba-Ba-Yb 或 Ba-Yb-Yb-Ba 晶體（只在閘門操作時執行）。
以下是H2量子計算機與Google Sycamore量子計算機的比較表(圖靈學院編輯部整理)：
本論文的影響
1.技術進步：
本研究展示了H2量子計算機在高連接性幾何結構中的計算優勢，這對未來量子計算機的設計和開發具有重要啟示。特別是，具有任意連接性的量子計算機能夠在較低深度下達到與現有最先進量子計算機相似的結果，這將推動量子計算硬件技術的進步。
2.量子優越性的驗證：
通過展示H2量子計算機在隨機電路採樣任務中的卓越表現，本研究進一步驗證了量子優越性的存在。這對於確立量子計算機在特定計算任務上的優勢具有重要意義，並激勵更多實驗來探索量子優越性的其他領域。
3.經典計算機模擬的挑戰：
本研究顯示了經典計算機在模擬高連接性量子電路時所面臨的挑戰，這突顯了量子計算機在解決特定計算問題時的潛力。這將促使經典計算方法的改進和新算法的開發，以應對量子計算帶來的新挑戰。
4. 實際應用的潛力：
H2量子計算機在隨機幾何電路中的出色表現表明，未來量子計算機在實際應用中具有巨大的潛力，特別是在需要高計算複雜度的領域，如密碼學、優化問題和模擬複雜物理系統等。
5.實驗對於比特門保真度的貢獻：
• 保真度模型：
論文使用門計數模型（gate-counting model）來估算電路的整體保真度。這個模型考慮了雙量子比特（2Q）門和狀態準備與測量（SPAM）操作的數量，並將相應的保真度乘冪來計算電路保真度。
上圖表Comparison Of Gate Fidelity Between Quantum Computers
((Y:Gate Fidelity (%),X:Quantum Computers）圖靈學院編輯部整理)
展示了H2量子計算機與Google Sycamore量子計算機之間的門保真度比較。可以看到，H2量子計算機的雙量子比特門保真度為99.843%，略高於Google Sycamore的約99.4%。這些數據強調了H2量子計算機在量子門操作保真度方面的優勢。
• 鏡像基準測試：
使用鏡像基準測試來驗證量子電路的保真度，這種方法通過鏡像電路來估算電路的整體保真度，並避免了早期和晚期邊界的誤差問題
• 隨機基準測試：
研究進行了隨機基準測試，並與經典計算機的模擬結果進行比較。結果顯示，H2量子計算機在高連接性幾何結構中的計算能力顯著高於現有的經典模擬技術。
這篇論文展示了H2量子計算機的先進性能，並通過與Google Sycamore量子計算機的比較，強調了量子計算在特定任務上的優勢和潛力，這些研究和實驗結果，展示了其在量子電路保真度方面的重要貢獻，特別是在雙量子比特門操作和狀態準備與測量方面的高保真度。對量子計算領域的研究和發展具有重要推動作用。
原論文請參考此
