光子盒研究院出品
本周，累計(jì)融資6.65億美元的PsiQuantum公司宣布了一項(xiàng)突破性技術(shù)，用于更有效地實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算：預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將使編譯后的應(yīng)用程序的運(yùn)行時(shí)間效率提高約50倍[1]。
01
量子算法運(yùn)行效率提高50倍
這項(xiàng)技術(shù)專門針對(duì)錯(cuò)誤糾正的量子計(jì)算機(jī)的算法，而不是非錯(cuò)誤糾正的NISQ系統(tǒng)。主動(dòng)量子編譯通過(guò)更有效地利用可用的硬件，減少了運(yùn)行一個(gè)特定的應(yīng)用程序所需的時(shí)間。這是通過(guò)利用量子計(jì)算機(jī)中不同區(qū)域之間的長(zhǎng)距離連接實(shí)現(xiàn)的：這種技術(shù)特別有利于光量子計(jì)算，在這種情況下，使用傳統(tǒng)的光纖就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的連接。
PsiQuantum的發(fā)展使原本閑置的計(jì)算資源（非活動(dòng)計(jì)算量）得到了更有益的重新利用。在許多使用量子算法的商業(yè)應(yīng)用中，這對(duì)硬件運(yùn)行時(shí)間和效率有重大影響。據(jù)估計(jì)，優(yōu)化活動(dòng)量可以使一些算法所需的操作提高約50倍。
PsiQuantum的首席科學(xué)官和聯(lián)合創(chuàng)始人Pete Shadbolt說(shuō)：“這是我們的容錯(cuò)團(tuán)隊(duì)取得的一個(gè)非常重大的成就。50倍的改進(jìn)意味著，以前在未來(lái)的光量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的量子應(yīng)用需要一個(gè)月的時(shí)間，現(xiàn)在在一天之內(nèi)就能運(yùn)行。”
所提供的改進(jìn)可以推廣到許多不同的具有實(shí)際意義的量子算法。這在未來(lái)量子計(jì)算技術(shù)的范圍內(nèi)帶來(lái)了更廣泛的有用量子應(yīng)用的多樣性。
02
量子計(jì)算優(yōu)化案例
例子展示了在具有12個(gè)量子比特模塊的活動(dòng)量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的量子計(jì)算的結(jié)構(gòu)。(a)量子計(jì)算對(duì)應(yīng)于6個(gè)量子比特的5個(gè)操作序列，其中每個(gè)操作都有一個(gè)邏輯塊網(wǎng)絡(luò)的表示。(b)在第一個(gè)邏輯周期，操作1和2被執(zhí)行。(c)在第二個(gè)邏輯周期中，只有操作3被執(zhí)行。(d)在第三個(gè)邏輯周期，操作4和5被執(zhí)行。
(a)波紋承載加法器（adder）電路的修改版。(b)這個(gè)加法器的每個(gè)重復(fù)段除了生成CCZ狀態(tài)所需的體積外，還有22個(gè)塊的有效體積。(c)壓縮后的ZX圖可以用來(lái)驗(yàn)證這兩張圖描述的是相同的操作。
數(shù)值模擬的結(jié)果
一個(gè)具體的工作實(shí)例發(fā)生在破譯密碼的情況下，如涉及到Shor算法的應(yīng)用。根據(jù)PsiQuantum公司在論文[2]中給出的假設(shè)，估計(jì)通過(guò)使用這種技術(shù)，在未來(lái)的光量子計(jì)算機(jī)上以1ns操作周期運(yùn)行，破解非常強(qiáng)大的（2048位）加密RSA密鑰所需的時(shí)間減少到9小時(shí)左右。雖然該公司繼續(xù)開(kāi)發(fā)執(zhí)行這一應(yīng)用所需的大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，但這一結(jié)果極大地降低了對(duì)該未來(lái)系統(tǒng)的要求。
該方法對(duì)更廣泛地優(yōu)化使用量子計(jì)算有額外的影響。正如PsiQuantum的量子架構(gòu)副總裁Naomi Nickerson所描述的那樣。
“鑒于光量子計(jì)算機(jī)能夠利用計(jì)算資源和計(jì)算運(yùn)行時(shí)間之間的權(quán)衡，這一發(fā)展也有影響。有源量子技術(shù)減少了所需的計(jì)算時(shí)間，這可以轉(zhuǎn)化為使用光子交織等技術(shù)減少硬件資源。這在允許程序使用更少的硬件在相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)行方面也可能具有實(shí)際意義。盡管這種方法的優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)任何能夠連接遙遠(yuǎn)的量子比特的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這對(duì)于目前的許多方法來(lái)說(shuō)是具有挑戰(zhàn)性的，而有源體積架構(gòu)特別適合于使用光纖連接的光量子比特。”
“我們相信，這一結(jié)果將對(duì)正在進(jìn)行的、世界范圍內(nèi)的針對(duì)具體問(wèn)題實(shí)例分析已知量子算法的努力具有重要意義，找到編譯這些算法的最佳方法。當(dāng)旨在提供商業(yè)上有用的應(yīng)用時(shí)，這些實(shí)施細(xì)節(jié)是至關(guān)重要的。”
PsiQuantum的首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人Jeremy O'Brien說(shuō)：“這一改進(jìn)是將有用的量子應(yīng)用納入近未來(lái)硬件范圍的又一步驟，非常令人興奮。我們有一支由量子架構(gòu)師和量子工程師組成的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，致力于為公用規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件。我們期望看到資源需求與我們的硬件改進(jìn)一起繼續(xù)下降。”
關(guān)于PsiQuantum
在硅光子學(xué)和容錯(cuò)量子架構(gòu)的突破推動(dòng)下，PsiQuantum正在建造第一臺(tái)公用規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)，以解決世界上一些最重要的挑戰(zhàn)。PsiQuantum的方法是基于光量子比特，在提供容錯(cuò)、通用量子計(jì)算機(jī)所需的規(guī)模上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。隨著量子芯片現(xiàn)在在世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體工廠生產(chǎn)，PsiQuantum公司在提供量子能力方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將推動(dòng)氣候技術(shù)、制藥、醫(yī)療保艦金融、能源、農(nóng)業(yè)、交通、通信等方面的進(jìn)步。
參考鏈接：
[1]https://www.businesswire.com/news/home/20221201005956/en/PsiQuantum-Announces-Breakthrough-in-Architectures-for-Error-Corrected-Quantum-Computing
[2]https://arxiv.org/abs/2211.15465
