自动化协议设计，实现量子优势
（A-C）经典仿真成本，相应的薛定谔-费曼算法成本如图例所示。（D）谷歌最新量子计算优势实验所提出方法设计的最优随机量子电路。图片来源：He-Liang Huang et al.
想象一下，在这样一个世界里，我们最好的超级计算机目前需要几个月的时间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。在发表在《智能计算》杂志上的一篇研究文章中，研究人员揭示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。
量子计算优势是量子技术发展的一个重要里程碑。它表示量子计算机在某些任务中胜过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显示出有希望的结果。
在尝试使用随机电路采样时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仿真之间的差距。为了应对这一挑战，研究人员He-Liang Huang、Youwei Zhao和Chu Guo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 量子比特门模式。2量子比特门通过作用于两个量子比特的状态来实现两个量子比特之间的相互作用，从而构建量子电路，实现量子计算。
有必要最大限度地提高经典仿真成本，以确保在执行计算时充分利用量子计算的卓越性能。然而，确定最佳随机量子电路设计以最大限度地提高经典仿真成本并不简单。
要找到最优的随机量子电路，首先需要穷尽所有可能的模式，然后估计每个模式的经典仿真成本，并选择成本最高的模式。经典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局限性。
作者提出的新方法使用薛定谔-费曼算法。该算法将系统划分为两个子系统，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。使用这种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所提方法得到的随机量子电路与其他算法相比的有效性。在Zuchongzhi 2.0量子处理器中生成了五个随机量子电路，每个电路具有不同的薛定谔-费曼算法复杂度。实验结果表明，复杂度越高的电路成本越高。
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，而不会对量子硬件提出新的要求。此外，这种新方法能够获得具有较高经典仿真成本的随机量子电路的主要原因可能是量子纠缠的更快增长。
未来，了解这种现象及其基础物理学可能有助于研究人员使用量子优势实验探索实际应用。
更多信息：He-Liang Huang 等人，如何为量子计算优势实验设计经典难度的随机量子电路，智能计算（2024 年）。DOI： 10.34133/icomputing.0079