量子计算机大声

<h1>量子计算机大声</h1>
<blockquote>量子技术副总裁Andreas Baumhof</blockquote>
<h2>算法的进度使小嘈杂的量子计算机可行</h2>
日期：2021年8月13日的资料来源：DOE/LOS ALAMOS国家实验室摘要：研究人员开发了混合的经典/量子算法，而不是等待完全成熟的量子计算机出现，而是从当今的那样提取了最大的性能和量子优势 – 嘈杂，容易出错的硬件. 分享：
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完整的故事
正如在新文章中报道的那样 大自然评论物理学, Los Alamos国家实验室和其他领先的机构没有等待完全成熟的量子计算机出现，而是开发了混合的经典/量子算法，从当今的嘈杂，容易出错的硬件中提取最大的性能（和潜在的量子优势）. 它们被称为变分量子算法，他们使用量子盒操纵量子系统，同时将大部分工作负载转移到古典计算机上，让他们做他们当前最擅长的事情：解决优化问题.
“量子计算机有望在某些任务上胜过经典计算机，但是在当前可用的量子硬件上，它们无法运行较长的算法. 在与环境互动时，他们的噪音太多，这会破坏所处理的信息。. “使用各种量子算法，我们在两全其美. 我们可以利用量子计算机的力量来实现古典计算机无法轻易完成的任务，然后使用经典计算机补充量子设备的计算能力.“
当前的嘈杂，中等量表量子计算机具有50至100吨的量表，快速失去“量子”，并且缺乏误差校正，这需要更多的Qubits. 然而，自1990年代后期以来，理论家一直在开发旨在在理想化的大型，错误校正的宽敞量子计算机上运行的算法.
“我们无法实施这些算法，因为它们给出了胡说八道或需要太多量子. 因此，人们意识到我们需要一种适应我们拥有的硬件限制的方法 – 优化问题。.
科尔斯说：“我们发现我们可以将所有感兴趣的问题转变为优化问题，并有可能具有量子优势，这意味着量子计算机在任务中击败了一台经典的计算机。”. 这些问题包括材料科学和量子化学的模拟，保理数，大数据分析，几乎所有提议用于量子计算机的应用程序.
该算法称为变分. 它更改参数和逻辑门以最大程度地减少成本函数，这是一种数学表达式，可测量算法执行任务的能力。. 当成本函数达到其最低值时，解决了问题.
在变异量子算法中的迭代函数中，量子计算机估计成本函数，然后将结果传递回经典计算机. 然后，经典计算机调整输入参数并将其发送到量子计算机，该计算机再次运行优化.
评论文章旨在成为从这个新生领域开始的研究的全面介绍和教学参考. 在其中，作者讨论了算法及其工作方式的所有应用程序，以及涵盖挑战，陷阱以及如何解决它们. 最后，考虑到未来将在未来几年可用的计算机上获得量子优势的最佳机会，它展望未来.
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<h2>为什么当前的量子计算机“嘈杂”?</h2>
量子计算机及其可能性现在几乎是每日新闻项目，虽然毫无疑问，量子计算机会彻底改变我们的传统计算机，但我们还没有. 但是，不仅在量子数（最大的量子计算机具有72 QUAT）方面. 这些量他的质量也很糟糕.
别误会我的意思，72 Qubits是一场技术盛宴，虽然听起来很小，但即使这些“微小”量子计算机几乎足够大，可以展示“量子至上”的事物 – 这意味着它可以解决古典计算机实际上无法无法解决的问题. 这是一个 大陈述. 而且我相信我们离某些专业应用程序还不远. （我将在下一篇文章中关注这一点）.
但是，如果您相信一些对可能性过于兴奋的记者（“量子计算机将破坏一切”），需要快速进行现实检查，我希望为您提供有关此主题的良好实用介绍.
为了对当前的量子计算机进行分类，约翰·普雷斯基尔（John Preskill. 他创造了这一点，以表明当前的量子计算机还不是通用机器.
<h3>因此，量子计算机是“嘈杂”的意思是什么，它们有多“嘈杂”?</h3>
Qubits是量子计算机的构建块，并且仅当量子效应才会发生时，只有在其真正较小且非常寒冷的情况下才会发生，这些Qubits很小，通常在接近绝对零的大型冰箱内（-273摄氏度）.
问题在于我们希望这些量子比特相互交互（以便我们可以进行计算），但是我们不希望这些量子比特与环境互动 – 除非我们控制或测量它们.
我们还没有找到任何方法可以在没有干扰的情况下进行此操作，并且这种干扰引入了噪声，当我们进行计算时，这将是错误（见下文）.
另一个问题是，这些量他的Qubits尚未真正稳定，这意味着它们在毫米秒内失去了量子效应，并且在此之前，我们的计算更好地完成了，否则信息会丢失.
<h3>那么这在现实中如何?</h3>
所以让我们写一个小程序. 我的程序应该翻转一枚硬币，如果它的头部，它应该打印“ 00”，如果是尾巴，则应打印“ 11”，简单的权利?
该程序看起来像这样：
<pre>来自随机 进口 randint＃ 得到 之间的随机数 0 和 1 和 如果 它 是 0 然后 打印 “ 00”, 否则 “ 11” 如果 （randint（randint）（0,1） < 1）： 打印 （（“ 00”） 别的： 打印 （（“ 11”）</pre>
确实，如果我们运行此功能，输出看起来像这样. 轮盘返回“ 00”和另一半“ 11”的时间一半. 伟大的.
<img src=”https://www.quintessencelabs.com/hs-fs/hubfs/Imported_Blog_Media/AB-Blog-quantum-noise-1-1024×654.jpg?width=212&height=138&name=AB-Blog-quantum-noise-1-1024×654.jpg” />
<h3>很酷，所以让我们在真实的量子计算机上运行.</h3>
我们将使用IBM的量子计算机. 现在，在一台量子计算机上，我们使用两个量子位，对其应用一些量子门，以确保两个量子位在测量它们时具有相同的值（意思是“ 00”或“ 11”）. 他们将在50％的案例中拥有它，因此我们的量子程序完全匹配我们上面的小经典计划. 我想清楚地表明，“ 00”和“ 11”是唯一可能的结果……别无其他（贝尔州）.
那么我们量子计算机的输出如何? 让我们来看看…
<img src=”https://www.quintessencelabs.com/hs-fs/hubfs/Imported_Blog_Media/AB-Blog-quantum-noise-2-1024×701.jpg?width=222&height=153&name=AB-Blog-quantum-noise-2-1024×701.jpg” alt=”来自我们量子计算机的发电” width=”443″ height=”305″ />
错误……哇…什么? “ 00”和“ 11”几乎平均分布（尽管到目前为止不是50/50），而我在6％的情况下，结果“ 01”，在7％的情况下，结果“ 10”.
问题是这些结果不是我程序的有效结果，如果我的量子计算机没有错误，则不存在. 但是所有当前的量子计算机都是嘈杂的，这种噪声将在计算中出现错误. 因此，“ 01”和“ 10”的两种情况代表了系统中噪声产生的错误.
现在在上面的示例中，我仍然可以看到“ 00”和“ 11”更为普遍，但是“ 01”和“ 10”代表噪音. 几乎13％的结果是结果不应该发生的事实，告诉您这台计算机有多嘈杂.
您可能会问，如果当前的量子计算机对这样的简单计算来说是如此嘈杂，那么任何人都对它们有用?
答案是绝对的，我们故意说明其背后的数学模型中的噪音，但这意味着您不能仅仅在量子计算机上盲目运行程序而不了解后端的拓扑或哪种类型的量子电脑有.
在古典世界中，当您编写代码时，您不必担心它在Windows，Mac，iPhone还是Linux上正确运行. 它会运行并吐出相同的结果. 在量子计算机（或至少在NISQ样式量子计算机上）上，您确实需要担心这些详细信息.
<h3>纠错</h3>
如果我们不想在编写计算时考虑量子系统的噪音，我们需要采用一种称为“错误校正”的技术，它是目前最活跃的研究领域之一.
基本思想是，如果我不能完全相信一个量子的结果，让我们以（说）10个量子位，如果不是全部10码位同意，我简单地接受多数投票. （非常简化）. 如果我们可以消除错误，我们将讨论“逻辑量子”（无错误）与“物理量子”（错误）. 当前的估计值假定，我们现在需要一个逻辑量子量的10-50个物理值（虽然会更改）
<h3>结论</h3>
实际上，量子计算硬件的重点是三个主要领域，它们对于现实世界应用都同样重要
<ul>
<li>Qubits数量.</li>
<li>降低量子位，门和测量的误差概率</li>
<li>Qubits的稳定性</li>
</ul>
量子技术副总裁Andreas Baumhof
<h2>量子计算机大声</h2>

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<h2>发现可以杀死Qubit的隐藏的“噪音”</h2>
新的检测工具可用于使量子计算机与不必要的环境干扰稳健.
Rob Matheson |麻省理工学院新闻办公室
发布日期：
2019年9月16日
<h3>按联系人：</h3>
艾比·阿巴索里乌斯（Abby Abazorius）
电话：617-253-2709
麻省理工学院新闻办公室
<h3>媒体下载</h3>
<img src=”https://news.mit.edu/sites/default/files/styles/news_article__download/public/download/201909/MIT-Quantum-Noise-PRESS.jpg?itok=HnrVvVr4″ alt=”麻省理工学院和达特茅斯学院的研究人员开发了一种工具，该工具可以检测非高斯“噪声”的新特征，该特征可以破坏量子计算机的基本组件量子的脆弱量子叠加状态。” width=”270″ height=”180″ />
标题：麻省理工学院和达特茅斯学院的研究人员开发了一种工具，该工具可以检测非高斯“噪声”的新特征，该特征可以破坏量子量子的脆弱量子叠加状态，即量子计算机的基本组件.
学分：照片：Sampson Wilcox
<h4>*使用条款：</h4>
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麻省理工学院和达特茅斯学院的研究人员开发了一种工具，可以检测非高斯“噪声”的新特征，该特征可以破坏量子的脆弱量子叠加状态，即量子计算机的基本组件.
照片：Sampson Wilcox
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麻省理工学院和达特茅斯学院的研究人员首次证明了一种检测环境“噪声”的新特征的工具，该工具可以破坏量子的脆弱量子状态，这是量子计算机的基本组件. 进步可能会提供有关微观噪声机制的见解，以帮助设计Qubits的新方法.
Qubits可以代表与经典二进制位相对应的两个状态，即0或1. 但是，他们还可以同时维持两种状态的“量子叠加”，从而使量子计算机能够解决古典计算机几乎不可能的复杂问题.
但是，量子的量子“连贯性”（意味着它保持叠加状态的能力）可能会因Qubit周围环境的噪音而瓦解. 噪声可能是由量子材料本身中的控制电子，热或杂质引起的，也可能导致严重的计算错误，可能难以纠正.
研究人员开发了基于统计的模型，以估算Qubits周围不需要的噪声源的影响，以创建保护它们的新方法，并了解噪音机制本身. 但是，这些工具通常会捕获简单的“高斯噪声”，从本质上讲，来自大量来源的随机中断收集. 简而. 在这种类型的模型中，无论单个贡献者的统计意义如何.
在今天发表在《杂志》上的论文中 自然通讯, 研究人员描述了一种新工具，该工具首次衡量影响量子的“非高斯噪声”. 这种噪音具有独特的图案，通常源于一些特别强大的噪声源.
研究人员设计了技术来将这些噪声与背景高斯噪声区分开，然后使用信号处理技术来重建有关这些噪声信号的高度详细信息. 这些重建可以帮助研究人员构建更现实的噪声模型，这可能使得更强大的方法保护量子器免受特定噪声类型的影响. 研究人员说，现在需要这样的工具：量子的缺陷越来越少，这可能会增加非高斯噪音的存在.
“这就像在拥挤的房间里. 如果每个人的讲话都相同，则有很多背景噪音，但是我仍然可以保持自己的对话. 但是，如果一些人特别大声说话，我不禁要锁定他们的谈话. 电气工程和计算机科学副教授，物理实践教授，MIT Lincoln实验室研究员，电子研究实验室副主任（RLE）副主任威廉·奥利弗（William Oliver）说。. “对于有许多缺陷的量子台，有噪音会破坏，但我们通常知道如何处理这种类型的骨料，通常是高斯噪声. 但是，随着量子股的改善，缺陷越来越少，个人开始脱颖而出，噪音可能不再仅仅是高斯的性质. 我们也可以找到处理方法的方法，但是我们首先需要了解非高斯噪声的特定类型及其统计数据.透明
Dartmouth物理学教授Lorenza Viola说：“理论物理学家能够想到一个想法并找到一个实验平台和实验同事愿意投资于通过它来看它并不常见。”. “能够与麻省理工学院团队取得如此重要的结果真是太好了.透明
加入Oliver和Viola的论文是：第一作者Youngkyu Sung，Fei Yan，Jack Y. Qiu，UwevonLüpke，Terry P. 奥兰多（Orlando）和西蒙·古斯塔夫森（Simon Gustavsson），都是Rle；大卫·K. 金和乔尼林·L. 林肯实验室的Yoder；还有FélixBeaudoin和Leigh M. 达特茅斯的诺里斯.
脉冲过滤器
在他们的工作中，研究人员利用了超导尺子是检测自己噪音的好传感器的事实. 具体而言，他们使用“通量”量子.
在实验中，他们通过注入工程通量噪声来诱发非高斯“脱落”噪声，从而打扰量子并使其失去连贯性，然后将其用作测量工具. 奥利弗说：“通常，我们希望避免磨损，但是在这种情况下，量子的磨光如何告诉我们有关环境中噪音的一些信息。”.
具体而言，他们以特定的序列在数十微秒的位置拍摄了110个“ pi pulses”（用于翻转Qubit的状态）. 每个脉冲序列有效地创建了一个狭窄的频率“滤波器”，该频率掩盖了许多噪声，除了特定的频带. 通过测量量子传感器对带通滤波的噪声的响应，他们在该频带中提取了噪声功率.
通过修改脉冲序列，它们可以上下移动过滤器以不同的频率采样噪声. 值得注意的是，在这样做的过程中，他们跟踪了非高斯噪声如何显然使量子变形，从而提供了非高斯噪声的高维频谱.
误差抑制和校正
工作背后的关键创新是仔细设计脉冲，以充当提取“ Biseptrum”属性的特定过滤器，这是一种二维表示，提供了有关非高斯噪声的独特时间相关的信息.
本质上，通过重建双光谱，他们可以发现随着时间的推移会撞击量子的非高斯噪声信号 – 在高斯噪声信号中不存在的属性. 一般的想法是，对于高斯噪声，两个时间点之间只有相关性，这被称为“二阶时间相关.”但是，对于非高斯噪声，某个时间点的属性将直接与多个将来的属性相关. 这种“高阶”相关性是非高斯噪音的标志. 在这项工作中，作者能够在三个时间点之间提取噪声.
该信息可以帮助程序员验证和量身定制Qubits的动态误差和误差校正代码，从而解决噪声引起的错误并确保准确的计算.
此类协议使用噪声模型中的信息来使实现对实用量子计算机更有效. 但是，由于噪声的细节尚未得到充分理解，因此当今的错误校正代码是考虑到标准铃曲线的设计. 借助研究人员的工具，程序员可以衡量其代码在现实情况下如何有效地工作，或者开始在非高斯噪声中零.
与拥挤的房间类比保持一致，奥利弗说：“如果您知道房间里只有一个大声的人，那么您将设计一个有效地消除一个人的代码，而不是试图解决所有可能的情况.透明