伯克利計算機理論家展示了驗證量子節(jié)拍經(jīng)典的途徑

隨著世界各地的多個研究小組競相建立可擴展的量子計算機，關(guān)于如何驗證量子至上的實現(xiàn)仍然存在問題。

量子至上性是描述量子計算機解決計算任務(wù)的能力的術(shù)語，對于任何經(jīng)典算法來說這都是非常困難的。它被認(rèn)為是量子計算的一個重要里程碑，但由于量子活動的本質(zhì)違背了傳統(tǒng)的確證，因此一直在努力找到一種方法來證明量子至上已經(jīng)實現(xiàn)。

加州大學(xué)伯克利分校的研究人員剛剛給出了一個領(lǐng)先的實用方案，稱為隨機電路采樣(RCS)，這是一種合格的批準(zhǔn)印章，其背后是復(fù)雜性理論證據(jù)。隨機電路采樣是谷歌提出的技術(shù)，用于證明它是否已經(jīng)通過今年早些時候推出的72比特的計算機芯片 - Bristlecone實現(xiàn)了量子至上 。

加州大學(xué)伯克利分校的計算機理論家在“ 自然物理學(xué) ”雜志上發(fā)表的一篇論文中發(fā)表了他們的RCS證據(jù)作為驗證方法 。

研究主要研究者Umesh Vazirani，加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計算機科學(xué)教授Rome A. Strauch表示，“對量子至上的強有力證據(jù)的需求未被充分認(rèn)識，但重要的是要將其降低。” “除了成為有用量子計算機之路上的里程碑之外，量子至上性是一種新的物理實驗，用于測試新制度中的量子力學(xué)。任何這樣的實驗必須回答的基本問題是我們有多自信，觀察到的行為確實是量子的，不能用經(jīng)典手段復(fù)制。這就是我們的結(jié)果所解決的問題。“

對量子的投資正在升溫

本文是在政府，學(xué)術(shù)界和量子信息科學(xué)行業(yè)加速活動之際。國會正在考慮 量子倡議法案，上個月， 能源部 和 科學(xué)基金會 宣布將近2.5億美元的撥款用于支持量子科學(xué)和技術(shù)研究。

與此同時，勞倫斯伯克利實驗室和加州大學(xué)伯克利分校宣布成立 伯克利量子公司，該公司旨在加速和擴大量子信息科學(xué)的創(chuàng)新。

隨著國際量子研究競爭的加劇以及對日益復(fù)雜的計算的需求的增長，風(fēng)險很高。對于真正的量子計算，即使是迄今為止最快的超級計算機也不切實際的問題可能相對有效地解決。它將成為密碼學(xué)中的游戲規(guī)則改變者，分子和化學(xué)相互作用的模擬以及機器學(xué)習(xí)。

量子計算機不受傳統(tǒng)計算機位的傳統(tǒng)0和1的限制。相反，量子比特或量子比特可以編碼0，1和兩者的任何量子疊加，以同時創(chuàng)建多個狀態(tài)。

當(dāng)Google公布了Bristlecone時，它表示其量子至上的經(jīng)驗證據(jù)將來自隨機電路采樣，這是一種技術(shù)，其中設(shè)備將使用隨機設(shè)置來表現(xiàn)得像隨機量子電路。為了說服力，還需要有力的證據(jù)表明，在經(jīng)典計算機上運行的經(jīng)典算法無法模擬隨機量子電路，至少在合理的時間內(nèi)。

檢測量子重音

Vazirani的團隊提到了隨機量子電路的輸出和英語中的一串隨機音節(jié)之間的類比：即使音節(jié)不形成連貫的句子或單詞，它們?nèi)詫⒕哂杏⒄Z“重音”并且可識別地不同來自希臘語或梵語。

他們表明，通過稱為“最差 - 平均 - 減少案例”的技術(shù)復(fù)雜性理論結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生具有“量子重音”的隨機輸出對于經(jīng)典計算機來說確實很難。

下一步是驗證量子器件實際上是否具有量子重音。這依賴于Goldilocks原理 - 一臺50-bit的機器足夠大，功能強大，但足夠小，可以用經(jīng)典的超級計算機模擬。如果可以驗證50-qubit機器是否具有量子重音，那么這將提供強有力的證據(jù)，即100夸脫的機器，這將非常難以經(jīng)典地模擬，也會這樣做。

但即使經(jīng)典的超級計算機被編程為具有量子口音，它能夠識別母語人士嗎?伯克利研究人員表示，驗證說話人輸出的唯一方法是通過統(tǒng)計檢驗。谷歌研究人員建議通過稱為“交叉熵差異”的度量來衡量匹配程度。交叉熵得分為1將是理想的匹配。

所謂的量子器件可以被認(rèn)為表現(xiàn)得像添加了隨機噪聲的理想量子電路。Fefferman和Bouland說，交叉熵分?jǐn)?shù)將證明量子重音的真實性，前提是噪聲總是會增加輸出的熵。情況并非總是如此 - 例如，如果噪聲過程優(yōu)先消除0超過1秒，它實際上可以減少熵。

“如果谷歌的隨機電路是通過允許這種擦除的過程產(chǎn)生的，那么交叉熵就不會成為衡量量子至上的有效方法，”布蘭德說。“這就是為什么谷歌確定其設(shè)備如何偏離真正的隨機量子電路非常重要的原因。”

這些結(jié)果是Vazirani于1993年與他的學(xué)生Ethan Bernstein所做的工作的回應(yīng)，通過量子計算機提出違反計算機科學(xué)的基本原理(稱為擴展教會 - 圖靈論文)來打開量子算法的大門。

貝爾實驗室的Peter Shor進一步展示了一個非常重要的實際問題 - 整數(shù)分解，可以通過量子計算機以指數(shù)方式加速。

“這個序列為競賽構(gòu)建工作量子計算機提供了一個模板，”Vazirani說。“量子至上是對擴展教會 - 圖靈論文的實驗性違反。一旦實現(xiàn)，下一個挑戰(zhàn)將是設(shè)計能夠解決實際有用問題的量子計算機。“