Sycamore 54 量子比特計(jì)算機(jī)（圖自：Google AI Blog）

隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長(zhǎng)，通過(guò)量子化學(xué)方程進(jìn)行建模的計(jì)算復(fù)雜度也在迅速增加，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致量子變量的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)量呈指數(shù)級(jí)縮放。對(duì)于現(xiàn)代的經(jīng)典計(jì)算機(jī)平臺(tái)而言，想要在量子化學(xué)方程式上得到讓人滿意的精確解，仍是一件相當(dāng)棘手的事情。不過(guò)今日發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究，就為具有指數(shù)級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算平臺(tái)，提供了一種新穎的系統(tǒng)封裝方法。

谷歌人工智能量子團(tuán)隊(duì)在文章中稱，其借使用了 54 量子比特位的 Sycamore 計(jì)算機(jī)，在上面開(kāi)展了有史以來(lái)最大規(guī)模的運(yùn)算，以尋求可為當(dāng)前的量子化學(xué)模擬技術(shù)進(jìn)行加速的新方法。

盡管研究的重點(diǎn)是真實(shí)化學(xué)系統(tǒng)的哈特里-?？私疲℉artree-Fock approximation），但本次在量子計(jì)算機(jī)上開(kāi)展的化學(xué)運(yùn)算量是以往的兩倍，并且包含了十倍的量子門(mén)操作。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)借助了一款噪聲健壯的變分量子本征求解器（VQE），其能夠通過(guò)量子算法，對(duì)化學(xué)機(jī)理展開(kāi)直接的模擬。

VQE 的重要性在于，量子計(jì)算很容易產(chǎn)生噪聲，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。

本質(zhì)上，該技術(shù)可將量子處理器視作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并試圖通過(guò)動(dòng)態(tài)最小化的成本函數(shù)來(lái)解決計(jì)算過(guò)程中的錯(cuò)誤、并優(yōu)化量子電路的參數(shù)。

據(jù)悉，Sycamore 具有 54 個(gè)量子比特，由 140 多個(gè)可調(diào)節(jié)的單獨(dú)元件組成，每個(gè)元件都由高速、模擬電脈沖來(lái)控制。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)設(shè)備的精確控制，需要對(duì) 2000 多個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。即便是微小的誤差，也足以在總計(jì)算結(jié)果中表現(xiàn)出相當(dāng)大的偏離。

動(dòng)用 Sycamore 10 個(gè)量子比特位計(jì)算模擬出的結(jié)果（分子幾何形狀的能量預(yù)測(cè)）

為此，研究團(tuán)隊(duì)特地使用了一套自動(dòng)化框架，能夠?qū)?wèn)題映射到具有數(shù)千個(gè)頂點(diǎn)的圖形上。其中每個(gè)頂點(diǎn)都代表一項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，以對(duì)單個(gè)未知參數(shù)進(jìn)行確定。

遍歷該圖之后，我們可將設(shè)備的先驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)移到高保真的量子處理器上，然后在不到一天的時(shí)間內(nèi)完成模擬運(yùn)算。結(jié)合其它糾錯(cuò)技術(shù)，可將錯(cuò)誤數(shù)量級(jí)控制在極小的范圍。

基于此，谷歌研究團(tuán)隊(duì)不僅在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了迄今最大規(guī)模的化學(xué)模擬，還提供了概念的證明 —— 即當(dāng) VQE 與糾錯(cuò)策略結(jié)合使用時(shí)，該犯法能夠保障量子化學(xué)模擬的準(zhǔn)確性。

展望未來(lái)，研究人員希望他們可在量子處理器上進(jìn)行更多的仿真。感興趣的朋友，可在GitHub上查閱本次實(shí)驗(yàn)的完整代碼。

研究的更多細(xì)節(jié)，可在《科學(xué)》（Science）雜志的《Hartree-Fock on a superconducting qubit quantum computer》一文中找到。

來(lái)源：cnBeta.COM