[论文解读] Quantum Computing in the NISQ era and beyond

John Preskill|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 17

一句话总结

本文將含噪中等規模量子（NISQ）時代定義為量子計算發展中的關鍵過渡階段，此時期的50至100量子比特設備雖具有高門錯誤率，但仍可用於探索多體量子物理並測試混合量子-經典演算法。儘管雜訊限制了電路深度，NISQ設備仍為模擬複雜量子系統提供了近期實現量子優勢的途徑，其進展取決於抗雜訊演算法與改進的門保真度，最終將為容錯量子計算鋪平道路。

ABSTRACT

Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) technology will be available in the near future. Quantum computers with 50-100 qubits may be able to perform tasks which surpass the capabilities of today's classical digital computers, but noise in quantum gates will limit the size of quantum circuits that can be executed reliably. NISQ devices will be useful tools for exploring many-body quantum physics, and may have other useful applications, but the 100-qubit quantum computer will not change the world right away --- we should regard it as a significant step toward the more powerful quantum technologies of the future. Quantum technologists should continue to strive for more accurate quantum gates and, eventually, fully fault-tolerant quantum computing.

研究动机与目标

• 定義並闡述NISQ時代作為量子計算中一個關鍵過渡階段，其特徵為含雜訊、中等規模的量子裝置。
• 評估NISQ設備在特定量子模擬任務中超越古典計算機的近期潛力。
• 強調開發抗雜訊量子演算法的重要性，以擴展NISQ硬體的計算能力。
• 主張持續提升量子門保真度與錯誤校正技術，作為實現可擴展、容錯量子計算的先決條件。
• 引導研究人員與實務工作者在保持長期願景的同時，對量子計算的近期影響設定現實期望。

提出的方法

• 將NISQ時代的概念引入為量子科技發展中的一個獨特階段，定義為具備50至100個物理量子比特與高門錯誤率的特徵。
• 提出混合量子-經典演算法（例如VQE）作為策略，即使在雜訊存在下仍能有效利用NISQ設備，方法為縮短電路深度並結合經典優化。
• 強調量子模擬是量子計算機可能超越古典計算機的主要應用領域，原因在於古典硬體難以模擬糾纏的多體系統。
• 主張量子糾纏是實現量子優勢的根本資源，資訊以非局域方式編碼於關聯之中，而非單獨的量子比特。
• 強調在設計演算法時需考慮抗雜訊能力，即使尚未實現完整的量子錯誤校正，也能最大化NISQ硬體的實用性。
• 主張應持續投資於提升量子門保真度，作為推動近期進展與最終實現容錯量子錯誤校正的關鍵推動力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在雜訊的情況下，NISQ設備能執行哪些古典數位計算機無法處理的計算任務？
• RQ2 如何設計量子演算法，使其在高門錯誤率與有限量子比特相干時間下仍具有效能？
• RQ3 混合量子-經典演算法在擴展近期量子硬體實用性方面扮演何種角色？
• RQ4 NISQ設備在多大程度上能模擬古典模擬無法觸及的複雜量子多體系統？
• RQ5 從NISQ過渡到容錯量子計算的關鍵里程碑與技術需求為何？

主要发现

• 具備50至100個量子比特的NISQ設備，可能執行古典數位計算機無法處理的任務，特別是在模擬複雜量子系統方面。
• 量子門中的雜訊限制了量子電路的深度與可靠性，因此實現完整容錯機制對可擴展的量子優勢至關重要。
• 量子計算機在高效模擬自然界中任何物理過程方面具有獨特優勢，特別是高度糾纏的多體量子系統。
• 以古典資源描述糾纏量子態的複雜度會呈指數級增長，使得對數百個量子比特系統的古典模擬變得不可行。
• 混合量子-經典演算法（如變分量子特徵值求解器VQE）透過縮短電路深度並結合經典優化，為近期實現量子優勢提供了有希望的途徑。
• 提升門保真度不僅對擴展NISQ能力至關重要，也有助於降低未來容錯量子錯誤校正所需的資源開銷。