Q-Ctrl：糾錯(cuò)技術(shù)將量子算法成功率提高9000倍

光子盒研究院出品

今天，澳大利亞量子公司Q-CTRL宣布了硬件基準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，證明其自動(dòng)糾錯(cuò)技術(shù)將量子計(jì)算算法在真實(shí)硬件上成功的可能性提高了9000倍，超過了Q-CTRL在去年11月報(bào)告的25倍。

憑借這些改進(jìn)，Q-CTRL正在縮小市場上出現(xiàn)的不斷增長的量子計(jì)算機(jī)的承諾與它們向最終用戶提供的實(shí)際計(jì)算能力之間的性能差距。

Q-CTRL將于3月14日至18日在芝加哥舉行的美國物理學(xué)會(huì)(APS)3月年會(huì)上(世界上最大的物理會(huì)議)公布這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)背后的技術(shù)。量子計(jì)算研究人員和開發(fā)人員可以通過Q-CTRL的技術(shù)(包括其旗艦產(chǎn)品Boulder Opal)獲得硬件穩(wěn)定、錯(cuò)誤減少和自動(dòng)化的底層軟件工具。

由于目前大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)非常容易出錯(cuò)，導(dǎo)致只能運(yùn)行最簡短的算法；這一挑戰(zhàn)阻礙了向最終用戶提供有用的量子計(jì)算。通過其研究活動(dòng)，Q-CTRL確定了使用人工智能和自動(dòng)化的途徑，不僅可以顯著改善困擾隔離量子邏輯元件(量子應(yīng)用程序的構(gòu)建塊)的錯(cuò)誤，還可以改善僅出現(xiàn)在完整算法執(zhí)行過程中的錯(cuò)誤。

Q-CTRL衡量了其軟件工具在實(shí)際硬件上執(zhí)行時(shí)如何改善重要的行業(yè)指標(biāo)，包括美國量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟(QED-C)追求的算法基準(zhǔn)。Q-CTRL將他們的工具與公開獲取的最先進(jìn)的電路編譯和測量錯(cuò)誤緩解策略進(jìn)行了比較。

首先是Bernstein-Vazirani算法，這是QED-C在其最近關(guān)于“面向應(yīng)用的性能基準(zhǔn)”的論文中建立的一個(gè)關(guān)鍵基準(zhǔn)。

如下圖所示，與其他競爭對手方法相比，從5量子比特到16量子比特，Q-CTRL方法都提供了最佳性能，而且量子計(jì)算機(jī)規(guī)模越大，性能改善的程度就越高，并呈指數(shù)增長。當(dāng)規(guī)模增加到16量子比特時(shí)，Q-CTRL實(shí)現(xiàn)了超出競爭對手方法9000倍的優(yōu)勢。

Bernstein-Vazirani算法；橫軸為量子比特?cái)?shù)量，縱軸為量子算法成功率。

然后，Q-Ctrl研究了Grover量子搜索算法——一種用于非結(jié)構(gòu)化搜索的大海撈針?biāo)惴āＴ谝粋€(gè)五量子比特的例子中，Q-CTRL的軟件以二進(jìn)制方式改變結(jié)果，從一個(gè)“完全錯(cuò)誤”的解轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)定性正確的解。盡管在這種情況下，成功概率只提高了大約20-30倍，但提供給最終用戶的定性價(jià)值是顯而易見的。

執(zhí)行Grover算法，Q-CTRL獲得正確答案的概率是競爭對手方法的20-30倍。

這些結(jié)果都是通過Q-CTRL面向量子計(jì)算最終用戶的全新零配置工具集Fire Opal(以旗艦產(chǎn)品Boulder Opal的功能為基礎(chǔ))實(shí)現(xiàn)的。

Q-CTRL表示，他們在基準(zhǔn)測試中實(shí)現(xiàn)量子算法高達(dá)9000倍的改善，為客戶算法帶來了真正的效用收益，例如歐洲量子初創(chuàng)公司BEIT的研究人員，他們是Q-CTRL技術(shù)的早期用戶。

BEIT首席執(zhí)行官Paulina Mazurek表示：“BEIT一直在推動(dòng)量子算法的極限，但在硬件性能方面面臨著與其他所有人一樣的障礙。Fire Opal在我們的研究中開辟了全新的前沿領(lǐng)域，并使量子優(yōu)勢更加接近，執(zhí)行一種基礎(chǔ)量子算法獲得了比經(jīng)典算法更好的結(jié)果。因此，從某種程度上說，這種軟件從根本上改變了硬件，實(shí)現(xiàn)了以前的基準(zhǔn)認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。這給我們留下了深刻印象?！?/p>

Q-CTRL的另一位合作伙伴——Zapata Computing已經(jīng)將Fire Opal原型集成到他們的平臺(tái)Orquestra中。在2021年12月的Q2B會(huì)議上，Q-CTRL展示了這種集成如何結(jié)合Zapata專有算法和方法(魯棒振幅估計(jì)，RAE)來提高當(dāng)今量子后端的性能。結(jié)果表明，Fire Opal似乎減少了大約11倍的估計(jì)錯(cuò)誤，而Zapata的RAE提高了大約5.5倍的估計(jì)精度。

這些結(jié)果完全是通過對商用量子計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)云訪問實(shí)現(xiàn)的，不需要對硬件進(jìn)行特殊訪問。這證明了這些功能可以提供給任何有互聯(lián)網(wǎng)連接以及希望從今天的量子計(jì)算機(jī)中獲得更多功能的用戶。

AWS最近宣布，F(xiàn)ire Opal將很快在亞馬遜Braket上推出，以提供對各種量子計(jì)算后端的訪問。

Q-CTRL創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ichael J. Biercuk教授說：“我們的基準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)表明，今天的量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部有隱藏的性能，可以通過正確的糾錯(cuò)軟件工具變得可用——不需要對硬件進(jìn)行任何更改。我們很高興向全球的研究人員、最終用戶和制造商提供這項(xiàng)技術(shù)，以加速實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢，并使現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用更接近實(shí)現(xiàn)。”

Q-CTRL將在APS舉辦一場研討會(huì)，與會(huì)者將學(xué)習(xí)如何使用包括Boulder Opal在內(nèi)的軟件工具來改進(jìn)和自動(dòng)化自己的量子硬件，節(jié)省時(shí)間，并增加研究成果。

關(guān)于Q-CTRL

量子計(jì)算的計(jì)算能力有望為藥物發(fā)現(xiàn)、企業(yè)物流、金融等應(yīng)用領(lǐng)域帶來變革性的能力。然而底層硬件極其不穩(wěn)定和脆弱，阻礙了這些機(jī)器發(fā)揮其全部潛力。Q-CTRL專注于提供獨(dú)立于硬件的、糾錯(cuò)的企業(yè)軟件，為企業(yè)提供有用的量子計(jì)算。

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