如何验证量子芯片的盘算是否正确？科学家想出了一种“分而治之”的措施

在向实际量子盘算迈进的历程中，来自MIT、谷歌和其他地方的研究人员设计了一种系统，可以验证量子芯片何时能够准确执行传统盘算机无法完成的庞大盘算。

量子芯片使用称为“量子位”执行盘算，这些量子位可以表现对应于经典二进制位的两个状态(零或一)或两个状态的“量子叠加”。奇特的叠加状态可以使量子盘算机解决经典盘算机险些无法解决的问题，从而可能在质料设计、药物发现和机械学习等领域取得突破。

全尺寸的量子盘算机将需要数百万个量子位，但这还不行行。在已往的几年中，研究人员已开始开发包罗约莫50至100量子位的“嘈杂中型量子”(NISQ)芯片。这足以证明“量子优势”，这意味着NISQ芯片可以解决传统盘算机难以处置惩罚的某些算法。可是，验证芯片是否按预期执行操作会很是低效。芯片的输出看起来可能完全是随机的，因此需要很长时间来模拟步骤以确定一切是否按计划举行。

凭据日前揭晓在《自然物理学》上的一篇论文中，研究人员形貌了一种新颖的协议，可以有效地验证NISQ芯片已经执行了所有正确的量子操作。他们在定制量子光子芯片上运行的一个很是难题的量子问题上验证了其协议。

“随着工业和学术界的飞速生长，带给我们尖端量子机械可以逾越经典机械，而量子验证的任务变得至关重要。” 论文第一作者、电气工程与盘算机科学系(EECS)和电子研究实验室(RLE)博士后雅克·卡洛兰(Jacques Carolan)说，“我们的技术为验证广泛种类的量子系统提供了重要工具。因为如果我投资数十亿美元来构建量子芯片，它肯定会做一些有趣的事情。”

麻省理工学院的EECS和RLE的研究人员以及Google Quantum AI实验室，Elenion Technologies，Lightmatter和Zapata Computing的研究人员也与卡洛兰一同加入了研究。

分而治之

研究人员的事情实质上是将量子电路生成的输出量子状态追溯到已知的输入状态。这样做可以展现对输入执行了哪些电路操作以发生输出。这些操作应始终与研究人员编写的法式匹配。如果不是，研究人员可以使用这些信息来确定芯片上那里出了问题。

卡洛兰说，新协议的焦点是“变分量子上采样”，它是一种“分而治之”的方法，将输出量子状态剖析为多个块。卡洛兰说：“我们不是一次完成整个历程，而是花了很长时间，一层一层地举行解读。这使我们能够剖析问题，以更有效的方式解决它。”

为此，研究人员从神经网络(通过多层盘算解决问题的方法)中罗致了灵感，构建了一个新颖的“量子神经网络”(QNN)，其中每一层代表一组量子运算。

为了运行QNN，他们使用传统的硅制造技术来构建一个2x5毫米NISQ芯片，该芯片具有170多个控制参数，可调电路元件，使光子路径的操作越发容易。成对的光子从外部组件以特定的波永生成，并注入到芯片中。光子穿过芯片的移相器(它们会改变光子的路径)相互滋扰。这将发生一个随机的量子输出状态，该状态表现在盘算历程中发生的情况。输出由一组外部光电探测器传感器丈量。

该输出将发送到QNN。第一层使用庞大的优化技术来挖掘嘈杂的输出，以查明所有加在一起的单个光子的签名。然后，它“解读”该组中的单个光子，以识别哪些电路操作将其返回到已知的输入状态。这些操作应与任务的电路特定设计完全匹配。所有后续层都举行相同的盘算-从等式中删除任何以前未加密的光子-直到所有光子都被解读。

例如，假设输入处置惩罚器的量子位的输入状态全为零。 NISQ芯片对量子位执行一系列操作，以生成大量的、看似随机变化的数字作为输出。 (输出数量将一直处于量子叠加状态，因此会不停变化。)QNN会从中选择大量的数据块。然后，它逐层确定哪些操作将每个量子位还原回其输入状态零。如果有任何操作与原始计划的操作差别，则说明泛起了问题。研究人员可以检查预期输出与输入状态之间的不匹配情况，从而调整电路设计。

玻色子“上采样”

在实验中，该团队乐成地运行了一项用于证明量子优势的盘算任务，即通常在光子芯片上举行的“玻色子采样”。在本次实验中，移相器和其他光学组件将利用一组输入光子并将其转换为输出光子的差别量子叠加。最终，任务是盘算某个输入状态与某个输出状态匹配的概率。从本质上讲，这将是一些概率漫衍的样本。

可是由于光子的不行预测的行为，经典盘算机险些不行能盘算这些样本。从理论上讲，NISQ芯片可以相当快地盘算它们。可是，由于NISQ操作和任务自己的庞大性，到现在为止，还没有方法可以快速、轻松地举行验证。

卡洛兰说：“赋予这些芯片量子盘算能力的相同特性使它们险些无法验证。”在实验中，研究人员在很短的时间内就完成了传统的验证方法。

约克大学盘算机科学教授Stefano Pirandola说：“这是一篇精彩的论文，它使用非线性量子神经网络来学习黑匣子执行的未知幺正运算。” “很显着，该方案对于验证由量子电路(例如，由NISQ处置惩罚器执行)的实际门很是有用。从这个角度来看，该方案是未来量子工程师的一个重要的基准测试工具。这个想法在光子量子芯片上获得了很好的实现。。”

卡洛兰说，只管该方法是为量子验证目的而设计的，但它也可以资助捕捉有用的物理性质。 例如，某些分子在引发时会振动，然后基于这些振动发出光子。 通过将这些光子注入光子芯片，卡洛兰说，解读技术可用于发现有关那些分子的量子动力学的信息，以资助举行生物工程分子设计。 它也可以用来解读携带量子信息的光子，这些量子信息通过湍流空间或质料而积累了噪声。

卡洛兰说：“我们的梦想是将其应用于物理世界中有趣的问题。”

原文泉源：https://phys.org/news/2020-01-quantum-chips-correctly.html