新方法使用经典计算机来检查复杂量子系统的准确性

未来的量子计算机最终可能会超越经典计算机，以解决计算机科学、医学、商业、化学、物理和其他领域的棘手问题。但这些机器还没有实现：它们充满了固有的错误，研究人员正在积极努力减少这些错误。

研究这些误差的一种方法是使用经典计算机来模拟量子系统并验证其准确性。唯一的问题是，随着量子机器变得越来越复杂，在传统计算机上运行它们的模拟将需要数年或更长时间。

现在，加州理工学院的研究人员发明了一种新方法，通过这种方法，经典计算机可以测量量子机器的错误率，而无需完全模拟它们。该团队在《自然》杂志上的一篇论文中描述了该方法。

“在一个完美的世界中，我们希望减少这些错误。这是我们领域的梦想。”该研究的主要作者、加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯实验室的研究生亚当·肖(AdamShaw)说。“但与此同时，我们需要更好地了解我们的系统面临的错误，以便我们能够努力减轻这些错误。这促使我们提出一种新的方法来评估我们系统的成功。”

在这项新研究中，研究小组使用一种称为量子模拟器的简单量子计算机进行了实验。量子模拟器的范围比当前基本的量子计算机更有限，并且是针对特定任务量身定制的。该小组的模拟器由单独控制的里德伯原子(处于高度激发态的原子)组成，他们使用激光对其进行操纵。

模拟器以及所有量子计算机的一个关键特征是纠缠，这是一种某些原子在没有实际接触的情况下相互连接的现象。当量子计算机处理一个问题时，系统中自然会产生纠缠，以无形的方式连接原子。

去年，恩德雷斯、肖和同事透露，随着纠缠的增加，这些联系以混乱或随机的方式扩散，这意味着小的扰动会导致大的变化，就像蝴蝶扇动翅膀理论上可以影响全球天气模式一样。

人们认为，这种不断增加的复杂性使量子计算机能够比传统计算机更快地解决某些类型的问题，例如密码学中的问题，其中必须快速分解大量数字。

但是，一旦机器达到一定数量的连接原子或量子位，就无法再使用经典计算机来模拟它们。“当量子位超过30个时，事情就会变得疯狂，”Shaw说。“量子比特和纠缠越多，计算就越复杂。”

新研究中的量子模拟器有60个量子位，Shaw表示，这将其置于无法精确模拟的状态。“这成为了第22条军规。我们想要研究一种经典计算机难以工作的机制，但仍然依赖那些经典计算机来判断我们的量子模拟器是否正确。”为了迎接挑战，肖和同事采取了一种新方法，运行允许不同程度纠缠的经典计算机模拟。肖将此比作用不同尺寸的画笔绘画。

“假设我们的量子计算机正在绘制蒙娜丽莎作为类比，”他说。

“量子计算机可以非常高效地进行绘画，理论上来说是完美的，但它会出现一些错误，从而弄脏了部分绘画的颜料。就像量子计算机的手颤抖一样。为了量化这些错误，我们希望我们的经典计算机能够模拟量子计算机所做的事情，但我们的《蒙娜丽莎》对它来说太复杂了。就好像经典计算机只有巨大的刷子或滚筒，无法捕捉更精细的细节。”

“相反，我们有许多经典计算机用越来越细的画笔绘制相同的东西，然后我们眯起眼睛并估计如果它们完美的话它会是什么样子。然后，我们用它来与量子计算机进行比较，估计它的错误。通过多次交叉检查，我们能够证明这种‘眯眼’在数学上是合理的，并且给出了相当准确的答案。”

研究人员估计，他们的60量子位量子模拟器的运行错误率为91%(或准确率为9%)。这听起来可能很低，但事实上，对于该领域的现状来说，这个数字相对较高。作为参考，2019年的谷歌实验的团队声称他们的量子计算机优于经典计算机，其准确度为0.3%(尽管它是与本研究中的系统不同类型的系统)。

Shaw说：“我们现在有了一个用于分析量子计算系统中的错误的基准。这意味着当我们改进硬件时，我们可以衡量改进的效果。此外，通过这个新的基准，我们还可以衡量改进的效果如何。”量子模拟涉及很多纠缠，这是衡量其成功的另一个指标。”

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