

Quantinuum 研究团队宣布,他们升级了离子阱量子计算机H2中的量子比特数量,并成功展示了可与现代超级计算机相媲美的计算能力。这一结果为量子计算技术的实际应用开辟了新的前景,堪称显示离子陷阱潜力的突破。

量子电路采样新方法实现“量子跃进”
Quantinuum 的 H2 是最先进的离子阱量子计算机。它有 32 个量子位,每个量子位都利用镱离子的超精细结构。 H2 的一个显着特点是它采用量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构,允许离子在表面电极陷阱内自由移动,并允许任何量子位之间的直接相互作用。
H2 可以以极高的保真度执行门操作,使其成为世界上第一个在量产设备中的所有量子位对上实现 99.999% 保真度的双量子位门的示例。这种高保真度和灵活的连接性可以有效实现复杂的量子电路,同时具有低内存错误和低状态准备和测量错误。
现在,Quantinuum宣布将 H2 从之前的 32 量子位升级到 56 量子位,计算能力大幅提升。
Quantinuum 研究团队使用一种称为随机电路采样(RCS)的技术来测试 56 量子位量子计算机 H2 的性能。 RCS是一种通过展示在经典计算机上模拟随机生成的量子电路的输出的难度来展示量子计算机的计算能力的方法。
此外,研究团队还使用了多种验证技术来提高实验结果的可靠性。通过结合线性交叉熵基准测试(XEB)、镜像基准测试(MB)和门计数模型等方法,他们成功地高精度估计了量子电路的保真度。 XEB 是谷歌于 2019 年首次出名的一种方法,用于证明“量子霸权”。
如果 XEB 分数接近 0,则结果有噪声,并且无法充分发挥量子计算的潜力。 另一方面,XEB分数越接近1,越能体现量子计算的力量。 Quantinuum 这次的 H2 成绩令人印象深刻。
Google 最初使用 53 个超导量子位运行该电路,其深度足以严重阻碍当时的高保真经典模拟,估计 XEB 分数约为 0.002。 他们表明,这个小值在统计上与零不一致,但随着经典算法和硬件的改进,经典计算机上可实现的 XEB 分数稳步提高,现在经典计算机能够实现与谷歌原始电路类似的分数。

与之前的超导实验相比,N=56 量子位 H2 量子计算机在计算困难的电路中实现了高出 100 倍以上的保真度。 这意味着实现高保真可靠性所需的镜头数量要低几个数量级,从而产生可比较的总执行时间。
这个实验值得注意的是,它表明 H2 可以以非常高的保真度执行 RCS。具体而言,已确认在深度为20的量子电路中,能够以约35%的概率无差错地完成计算。这比之前的量子霸权演示实验精确两个数量级以上。
这次,研究团队引入了一种新的电路设计方法,该方法充分利用了 H2 所特有的高连接性和灵活性。与传统的超导量子位系统不同,H2 允许任何量子位之间直接交互。利用这一特性,我们实现了一种称为随机几何电路的新电路设计。使用这种方法,我们成功地以较小的电路深度执行复杂的量子运算。
论文详细介绍了电路设计。我们将每个量子位视为图的顶点,并将两个量子位门表示为边。然后,他们随机生成一个 d 正则图(每个顶点恰好有 d 条边的图)并基于该图构建量子电路。这种方法产生高度连接的电路,增加了经典模拟的难度。
研究团队还从理论上验证了这种新电路设计的有效性。使用称为“张量网络收缩”的方法进行的分析表明,随机几何电路比传统二维晶格电路的经典模拟更具优势。具体来说,我们发现经典模拟的计算成本随着电路深度的增加而迅速增加。
另外在功耗效率方面,基于 RCS 最高效的已知经典算法和主要超级计算机的功耗进行分析表明,H2 可以运行 56 个量子位的 RCS,功耗预计将为 1 英寸。 30,000。 这些早期结果对于希望将量子计算机添加为用户的“加速器”的数据中心所有者和超级计算设施来说可能非常有吸引力。
这些结果表明 H2 具有足够的性能来证明量子霸权。特别是56个量子位的高保真运算将是量子计算机实际应用的一个重要里程碑。
研究小组的伊利亚斯·汗 (Ilyas Khan) 表示:
“我们致力于实现普遍容错的量子计算机,这一目标保持不变,但近几个月已经很明显,多年的研发投入已经表明,容错量子计算机的全部优势基本保持不变,但可能会比最初预期的更早实现,而且重要的是,随着量子计算机开始以无法经典模拟的方式运行,它也将为我们客户的日常运营带来切实的好处。”
研究团队相信,对当前架构的进一步增强可能会在不久的将来带来更大、更强大的量子计算机。具体来说,量子比特数量的进一步增加、内存错误的减少和电路时间的减少等技术进步预计将进一步提高量子计算机的性能。
未来量子计算的研发竞争可能会进一步加剧。世界各地的研究机构和公司都在竞相开发各种类型的量子计算机。 Quantinuum的最新成果可以说证明了离子阱方法的潜力,同时也为证明量子霸权提供了新的指标。
参考:
arXiv:任意几何形状的随机量子电路的计算能力
Quantinuum:Quantinuum 的 H 系列达到了 56 个全面连接的物理量子位,告别了经典模拟时代
研究总结:
对二维量子电路的输出分布进行采样的实验已经证明了经典计算机和量子计算机之间计算能力的差距。 许多缩小这一差距的尝试都利用了基于张量网络技术的经典模拟,我猜其局限性揭示了量子硬件所需的改进,以挫败经典模拟的可能性。 特别是,由于门保真度和连接性限制,具有超过 50 个量子位的量子计算机很容易受到经典模拟的影响。 在这里,我们讨论 Quantinuum H2 量子计算机的最新硬件升级。 H2 量子计算机可以运行多达 56 个量子位,具有任意连接性,2 量子位门保真度为 99.843(5)%。利用 H2 的灵活连接性,我们以高度连接的几何形状呈现随机电路采样的数据,具有前所未有的保真度,并且可能超出了最先进的经典算法的能力。经典模拟 H2 的难度似乎仅受量子位数量的限制,这证明了 QCCD 架构的前景和可扩展性。

