[论文解读] Where are we heading with NISQ?

Olivier Ezratty|arXiv (Cornell University)|May 16, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文批判性地评估了当前含噪声中等规模量子（NISQ）计算的发展现状，分析了阻碍实际NISQ应用实现的硬件与算法约束。文章指出，尽管量子比特保真度和错误缓解技术有所进展，NISQ可能无法真正成为通往容错量子计算的过渡阶段，建议由于量子比特数量与保真度之间存在冲突的设计权衡，NISQ与FTQC系统应走不同的发展路径。

ABSTRACT

In 2017, John Preskill defined Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) computers as an intermediate step on the road to large scale error corrected fault-tolerant quantum computers (FTQC). The NISQ regime corresponds to noisy qubit quantum computers with the potential to solve actual problems of some commercial value faster than conventional supercomputers, or consuming less energy. Over five years on, it is a good time to review the situation. While rapid progress is being made with quantum hardware and algorithms, and many recent experimental demonstrations, no one has yet successfully implemented a use case matching the original definition of the NISQ regime. This paper investigates the space, fidelity and time resources of various NISQ algorithms and highlights several contradictions between NISQ requirements and actual as well as future quantum hardware capabilities. It then covers various techniques which could help like qubit fidelities improvements, various breeds of quantum error mitigation methods, analog/digital hybridization, using specific qubit types like multimode photons as well as quantum annealers and analog quantum computers (aka quantum simulators or programmable Hamiltonian simulators) which seem closer to delivering useful applications although they have their own mid to longer-term scalability challenges. Given all the constraints of these various solutions, it seems possible to expect some practical use cases for NISQ systems, but with a very narrow window before various scaling issues show up. Turning to the future, a scenario can be envisioned where NISQ will not necessarily be an intermediate step on the road to FTQC. Instead, the two may develop along different paths, due to their different requirements. This leaves open a key question on the trade-offs that may be necessary to make between qubit scale and qubit fidelities in future quantum computers designs.

研究动机与目标

• 评估NISQ计算机是否能够实现其最初承诺，即在短期内实现经典计算难以解决的问题的量子优势。
• 识别NISQ算法需求与当前及未来量子硬件能力在空间、保真度和时间资源方面的矛盾之处。
• 评估新兴技术，如量子错误缓解、混合模拟-数字架构，以及多模光子和量子退火等替代量子比特平台。
• 探讨鉴于设计约束差异，NISQ是否可能沿着与容错量子计算（FTQC）不同的路径发展。
• 考察未来量子计算机架构中，量子比特规模与量子比特保真度之间的权衡。

提出的方法

• 本文对NISQ算法的资源需求进行了全面综述，重点关注空间（量子比特数量）、保真度（门操作与测量误差）以及时间（电路深度与退相干时间）。
• 评估了多种错误缓解技术，包括零噪声外推、对称性验证和概率误差补偿，分析其可扩展性与实用性。
• 研究了如量子近似优化算法（QAOA）等混合量子-经典算法，强调其对噪声和电路深度的敏感性。
• 对比了超导量子比特、离子阱、光子系统和量子退火器等不同量子硬件平台，评估其在近期应用中的适用性。
• 引入并讨论了电路拼接（circuit knitting）技术，以突破物理限制，扩展有效量子比特数量。
• 考察了Quantinuum和富士通等公司提出的中间里程碑，提出NISQ与FTQC之间可能的过渡路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前的NISQ硬件能否实现足够的保真度与量子比特数量，以在速度上超越经典超级计算机解决实际问题？
• RQ2 NISQ算法的资源需求与现有及未来量子处理器能力之间存在哪些根本性不匹配？
• RQ3 错误缓解技术能在多大程度上弥合NISQ局限性与实际量子优势之间的差距？
• RQ4 NISQ是否真的是通向容错量子计算的中间阶段，还是可能演变为一种独立的计算范式？
• RQ5 在未来的量子计算机设计中，为平衡可扩展性与性能，必须在量子比特数量与保真度之间做出何种权衡？

主要发现

• 迄今为止，尚无实验演示成功实现符合原始NISQ定义的用例，即在速度上超越经典超级计算机解决经典难题。
• 量子比特保真度已显著提升，近期基准测试显示某些平台的门保真度超过99.5%，但这些仍不足以支持深度电路运行。
• 零噪声外推和对称性验证等错误缓解技术展现出潜力，但面临可扩展性限制，且需要高保真度资源支持。
• 量子退火器和模拟量子模拟器在实现实际应用方面似乎更接近目标，尽管面临中期至长期的可扩展性挑战。
• 本文识别出一个狭窄的时间窗口，即在退相干和错误传播等问题变得不可逾越之前，NISQ应用尚可实现实际应用。
• 一种可能的未来情景表明，由于对量子比特数量与保真度存在冲突需求，NISQ与FTQC可能沿着不同路径发展。