量子至上的问题

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量子计算整合了过去半个世纪以来两大技术革命——信息技术和量子力学。如果我们使用量子力学规则而不是二进制逻辑进行计算，一些难以处理的 计算任务将变得可行。在追求通用量子计算机的过程中，的一个重要目标是确定当今传统计算机无法完成的最小计算任务。这个交叉点被称为“量子至上”前沿，是实现更强大、更有用的计算的关键一步。在《自然物理学》（arXiv此处
）上发表的 “表征近期设备中的量子至上”中，我们为近期设备中量子至上的实际演示提供了理论基础。它提出了从随机量子电路的输出中采样位串的任务，这可以被认为是量子计算机的“hello world”程序。该论点的结果是，随机混沌系统（想想蝴蝶效应）的输出运行时间越长，就越难预测。如果人们建立一个随机、混沌的量子比特系统，并研究经典系统模拟该系统需要多长时间，那么就能很好地衡量量子计算机何时能胜过经典计算机。可以说，这是最有力的理论主张，可以证明经典计算机和量子计算机的计算能力存在指数级差异。 确定随机量子电路采样的量子霸权边界究竟在哪里，已迅速成为一个令人兴奋的研究领域。一方面，模拟量子电路的经典算法的改进 旨在增加建立量子霸权所需的量子电路的大小 。这迫使具有足够多的量子比特和足够低的错误率的实验量子装置实现足够深度的电路（即电路中门的层数），以实现霸权。另一方面，我们现在更好地理解了用于构建随机量子电路的量子门的特定选择如何影响模拟成本，从而改进了近期量子霸权的基准，在某些情况下，与原始提案相比，使用经典方式模拟的成本要高出二次方。
从随机量子电路中采样是量子计算机的绝佳校准基准，我们称之为交叉熵基准测试。使用随机电路进行成功的量子霸权实验将展示大规模容错量子计算机的基本构建模块。此外，量子物理学尚未针对此类高度复杂的量子态进行测试。
量子电路计算的时空体积。量子模拟的计算成本随量子电路体积的增加而增加，并且通常随量子比特的数量和电路深度呈指数增长。对于非对称量子比特网格，计算时空体积随深度的增长速度比对称网格慢，并且可使电路的模拟速度呈指数级下降。
在“用超导量子比特展示量子霸权的蓝图”（arXiv此处）中，我们阐述了量子霸权的蓝图，并首次通过实验展示了原理验证版本。在论文中，我们讨论了量子霸权的两个关键因素：指数复杂度和精确计算。我们首先在设备中 5 到 9 个量子比特的子部分上运行算法。我们发现经典模拟成本随着量子比特数量的增加而呈指数增长。这些结果旨在清晰地展示这些设备的指数级力量。接下来，我们使用交叉熵基准测试将我们的结果与普通计算机的结果进行比较，并表明我们的计算高度精确。事实上，错误率足够低，可以使用更大的量子处理器实现量子霸权。
除了实现量子霸权之外，量子平台还应提供明确的应用。在我们的论文中，我们使用复杂的多量子比特门（而不是为具有表面代码纠错功能的数字量子处理器设计的双量子比特门）将我们的算法应用于量子统计力学中的计算问题。我们表明，我们的设备可用于研究材料的基本特性，例如金属和绝缘体之间的微观差异。通过将这些结果扩展到具有约 50 个量子比特的下一代设备，我们希望回答超出任何其他计算平台能力的科学问题。
查尔斯·尼尔 (Charles Neill) 和佩德拉姆·鲁尚 (Pedram Roushan) 开发的两个 gmon 超导量子比特及其可调耦合器的照片。
这两篇论文介绍了近期量子霸权的现实方案，并首次展示了原理验证版本。我们将继续降低错误率并增加量子处理器中的量子比特数，以达到量子霸权的前沿，并开发可用于近期应用的量子算法。