新的电路压缩技术可能比计划提前数年交付现实世界的量子计算机

使用建议的方法压缩初始体积为882的电路。精简电路的体积为420，小于原始体积的一半。

对于任何实际的，现实世界中的量子计算机来说，一项主要的技术挑战是需要大量的物理量子位来处理在计算过程中累积的误差。这种量子误差校正是资源密集的并且计算耗时。但是研究人员发现了一种有效的软件方法，可以显着压缩量子电路，从而缓解了对硬件开发的需求。

量子计算机可能仍远未达到商业现实，但是所谓的“量子优势”（即量子计算机的计算能力比传统计算机快数百或数千倍）实际上是在所谓的“有噪声的中间件”上实现的。早期原理验证实验中的Scale Quantum（NISQ）设备。

不幸的是，NISQ设备仍然易于在运行过程中累积许多错误。为了在现实世界中应用量子优势，需要设计一种具有高容错性的可全面运行的大型量子计算机。当前，可以将NISQ设备设计成具有大约100量子比特，但是容错计算机将至少需要数百万个物理量子比特才能以足够低的错误率对逻辑信息进行编码。量子计算电路的容错实现不仅使量子计算机更大，而且使运行时间延长了几个数量级。扩展的运行时本身反过来意味着计算甚至更容易出错。

尽管硬件的进步可能解决了这一资源缺口，但是日本国立信息学研究所（NII）和日本日本电报电话公司（NTT）的研究人员通过压缩大规模容错的量子电路从软件开发方面解决了该问题。量子计算机，潜在地减少了对硬件改进的需求。

NII的研究人员，论文的作者之一迈克尔·汉克斯（Michael Hanks）于11月发表论文说：“通过压缩量子电路，我们可以减小量子计算机的尺寸及其运行时间，从而减少对错误保护的要求。” 2020年11月11日，在《物理评论X》中

大规模量子计算机体系结构依赖于纠错码才能正常运行，其中最常用的是表面码及其变体。

研究人员专注于以下变体之一的电路压缩：3D拓扑代码。该代码在分布式量子计算机方法中表现特别出色，并且对不同种类的硬件具有广泛的适用性。在3D拓扑代码中，量子电路看起来像交错的管子或管道，通常称为“编织电路”。编织电路的3D图可以进行压缩，从而减小其占据的体积。到目前为止，挑战在于以特殊方式执行这种“管道操纵”。此外，关于如何执行此操作仅存在部分规则。

NII的研究员Marta Estarellas说：“以前的压缩方法不能保证所得的量子电路是否正确。”“每次应用这些压缩规则之一时，必须非常小心地检查其正确性。这是一个重要的问题，因为这项任务与运行整个量子电路一样艰巨。”

研究团队建议在此中间编译阶段将ZX微积分用作一种语言。ZX演算是一种2000年后期开发的2D图表语言（使用图表和图像代替单词），专门用于直观地表示qubit过程。更重要的是，它带有一整套操作规则。

在他们的论文中，研究人员通过发现ZX微积分与编织电路组件之间的平移关系来利用ZX微积分。研究人员表明，通过识别一直隐藏在ZX微积分中的新解释，可以将逻辑门电路的这两种表示形式相互映射。

ZX演算语言可以应用一组转换规则来更改电路的结构，而无需更改其基本的数学含义（从而也不能更改其操作），因此可以确保其正确性。通过仔细更改该概念结构，可以将电路的体积降至最低，一旦将这种新结构映射到实际的编织量子电路，就可以实现相当大的压缩率。

研究人员报告说，采用这种技术后，压缩率降低了77％，与以前的最佳努力相比，降低了40％。

NTT的研究科学家William J. Munro表示：“压缩方法及其进一步的发展可以提前数年实现现实世界中的容错量子计算机的实现。”

NII量子信息科学全球研究中心主任Kae Nemoto表示：“有趣的是，它也可能是未来操作系统开发的基础。“要在完全可扩展的量子计算机中实施这些软件开发，仍可能需要花费很多年，但与此同时，我们的方法可以节省与硬件开发相关的大量工作。”

参考：Michael Hanks，Marta P. Estarellas，William J. Munro和Kae Nemoto撰写的“由ZX-微积分辅助的量子编织电路的有效压缩”，2020年11月11日，《物理评论》十页。
10.1103 / PhysRevX.10.041030

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