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在小型量子计算机上模拟大型量子电路的成本是多少?


时间:2022-05-11  来源:  作者:  点击次数:


C114,北京时间5月11日(鱼雨)最近量子计算的一个主要挑战是可用量子位的数量有限。假设我们想运行一个由400个量子位组成的电路,但我们只有一个100个量子位的设备可用。我们做什么呢

在过去的一年里,IBM量子团队已经开始研究一种叫做“电路编织”的计算方法。电路编织技术使我们能够将大的量子电路分割成适合更小器件的子电路,结合经典模拟将结果“编织”在一起,达到目标答案。它是一个模拟成本,会随着编织门的数量成指数增长。

在未来,电路编织将非常重要。我们的量子硬件开发团队专注于通过经典连接更小的处理器,然后通过量子链路扩展它们。基于这种规划的硬件架构,在不久的将来,当我们在经典的并行量子处理器上运行问题时,电路编织将是有用的。增加可用量子位数量的技术也将在未来很长一段时间内发挥作用。

图1:电路编织示例:左侧作用于AB的非本地电路可以模拟为仅作用于右侧A或B的本地电路,然后进行经典后处理。

图1:电路编织示例:作用于左侧AB的非局域电路可以模拟为仅作用于右侧A或B的局域电路,然后对其进行经典的后处理。但首先,我们的团队需要知道这些方法可以提供多少好处,特别是当我们知道模拟开销随着这些子电路之间的门电路数量呈指数增长时。

我们目前正在研究本地量子计算机之间的经典通信是否有助于减少模拟开销。——,正如您在一对经典的并行IBM Quantum“Heron”处理器上看到的。具体来说,我们通过一种之前在误差抑制领域和经典仿真算法中一直被关注的方法,即准概率仿真技术,实现了电路编织。

计划于2023年推出的133量子位“Heron”处理器

133量子位“Heron”处理器计划于2023年推出。我们考虑三种设置来模拟具有本地操作的非本地电路。第一,两台量子计算机只能在各自的子电路上运行各自的局部运算,相互之间没有通信。在第二种情况下,两台计算机可以实现这些本地操作,增加了单向发送经典信息的能力:3354从A到B,但不是从B到A。在第三种情况下,两台量子计算机可以运行自己的本地量子操作,并在它们之间的任何方向发送经典信息。

在局域和单向经典通信设置中,不一定需要两台独立的量子计算机。相反,您可以在同一器件上依次运行两个子电路。然后,单向设置中的经典通信可以通过经典地存储从A和B发送的比特来模拟.

图2:考虑运行非本地操作的三个场景的图形化概述。LO指本地操作;单向CC指的是本地操作和单向经典通信;LOCC指的是本地运营和经典传播。

相比之下,双向通信设置需要两台量子计算机在两个方向上交换经典信息。我们表明,对于基于准概率模拟的电路编织,当应用于具有同一非局部门的多个实例的电路时,上述三种设置都具有不同的采样开销。

我们在arXiv上的实验结果表明,双向通信可以大大降低仿真开销。对于具有连接到每个子电路的N个CNOT门的电路,子电路之间的传统信息交换的组合将仿真开销从O(9n)减少到O(4n)——,这在实践中是显著的减少。对于给定的固定模拟开销,它允许我们削减更多的CNOT门,也就是纠缠量子位的门。

在技术层面上,我们的结果是基于这样一种认识,即同时在局部制备两个最大纠缠态(称为钟对)比在局部两次制备单个钟对更有效。原因是,对于联合制备,我们可以利用局部子系统之间的纠缠,如果我们分别制备两个钟对,这是不可能的。利用门的隐形传态的思想,我们可以在局域操作和经典通信下将钟对转化为CNOT门。

图3:如何通过门转移在LOCC设置中实现两个CNOT门的图形描述。通过同时生成两个铃对(而不是两次生成一个铃对),我们可以减少总的模拟开销。

我们的结果表明,当执行超过每个量子设备单独拥有的量子比特数量的大规模计算时,本地分离的量子计算机之间的经典通信是有益的。

根据IBM的最新路线图,这些结果可能有助于减少未来架构中的模拟开销,因为它促进了单个量子芯片与经典通信链路的连接。


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