Compartilhador: Jin Sui｜Escola**: Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China**
breve introdução
A computação quântica promete fornecer maior poder computacional do que a computação clássica para muitas tarefas específicas. No entanto, os computadores quânticos barulhentos ainda não são totalmente tolerantes a falhas, o que também gerou dúvidas sobre a praticidade da computação quântica atual. Trabalhos recentes da IBM permitiram experimentos em um processador barulhento de 127 qubit e demonstraram capacidades além da computação clássica. Esses resultados experimentais se beneficiam dos avanços na coerência e calibração em processadores supercondutores de grande escala, bem como da capacidade de caracterizar e controlar o ruído em dispositivos tão grandes. Em estados fortemente emaranhados, os computadores quânticos fornecem resultados corretos, enquanto os principais métodos de aproximação clássicos, como MPS e iso TNS, falham. Esses experimentos demonstraram a capacidade dos computadores quânticos recentes de lidar com problemas práticos.
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**标题: Evidência da utilidade da computação quântica antes da tolerância a falhas
作者：**Youngseok Kim, Andrew Eddins, Sajant Anand, Ken Xuan Wei, Ewout van den Berg, Sami Rosenblatt, Hasan Nayfeh, Yantao Wu, Michael Zaletel, Kristan Temme & Abhinav Kandala
**Diário:**Nature volume 618, páginas 500–505 (2023)
**Data de publicação:** 14 de junho de 2023
01
introdução
É amplamente aceito que algoritmos quânticos avançados, como fatoração ou estimativa de fase, requerem correção de erros quânticos para demonstrar suas vantagens. No entanto, se os processadores atualmente disponíveis podem executar outros circuitos quânticos rasos de forma confiável o suficiente para fornecer vantagens em problemas práticos é um debate acalorado.
A demonstração da vantagem quântica pode ser alcançada demonstrando que os dispositivos quânticos existentes são capazes de realizar cálculos precisos além das simulações clássicas. Este trabalho foca nisso para demonstrar as vantagens da computação quântica, em vez de implementar circuitos quânticos em problemas para os quais a aceleração foi demonstrada.
02
** Processador IBM Quantum
**
Este trabalho usa um processador quântico supercondutor de 127 qubits para simular o modelo de Ising de campo transversal bidimensional. Sua profundidade de circuito inclui 60 camadas de portas quânticas de dois bits e o número total de portas CNOT é 2.880. O processador quântico usado neste artigo é ibm_kyiv.
(Fonte: artigo original)
1) Os valores medianos de T1 e T2 são 287,87μs e 127,49μs respectivamente.
2) O erro médio de um único bit é da ordem de 10-4, e o erro médio de dois bits é da ordem de 10-; 2;
3) A fidelidade de leitura é ambas da ordem de magnitude 10 -2.
03
Tarefas realizadas por computadores quânticos
Este artigo usa principalmente o processador quântico ibm_kyiv para simular a evolução do modelo de Ising de campo transversal bidimensional. A forma de seu hamiltoniano é:
onde J é a intensidade de acoplamento entre os vizinhos mais próximos e h representa a intensidade do campo transversal global. A relação de vizinho mais próximo deste modelo é baseada na estrutura do próprio processador quântico, conforme mostrado na Figura 1b abaixo.
Figura 1 (Fonte: artigo original)
Esta evolução unitária pode ser aproximada pela decomposição de Trotter de primeira ordem,
Para simplicidade de implementação, é selecionado aqui , de modo que a porta rotativa ZZ possa ser equivalente ao seguinte circuito quântico que requer apenas um CNOT:
Podemos dividir a porta giratória ZZ em três camadas paralelas de acordo com a estrutura do próprio processador quântico, conforme mostrado nas Figuras a e b, o que significa que cada etapa do trotador contém três camadas de portas CNOT. Pode-se observar na figura que as portas CNOT necessárias para cada passo do trotador são 144. Quando o circuito quântico realiza 20 passos de trotter, ou seja, 60 camadas de portas CNOT, atinge o número de portas CNOT mencionado no artigo, 2.880.
04
** Modelo de ruído
**
O modelo de ruído selecionado neste artigo é o modelo de ruído Sparse Pauli-Linblad.
A camada de ruído é mostrada na Figura 1 c, d. Este artigo 
adiciona camadas na frente da camada de ruído original 
para controlar o tamanho do ruído. Neste momento, o canal de ruído total é 
, onde G é o fator de amplificação 
. Na extrapolação de ruído zero (ZNE), os autores amplificam o ruído para diferentes níveis de ganho e usam a extrapolação para estimar o ruído zero.
Aqui, este artigo seleciona 
viz 
. Neste momento, todo o circuito atua no estado 0 e não altera o estado quântico, portanto 
o valor esperado obtido usando a quantidade de observação para medir é 1. A Figura 2 abaixo mostra os resultados experimentais em diferentes níveis de ruído, diferentes profundidades de circuito e após ZNE.
Figura 2 (fonte: artigo original)
A Figura 2a é 
o resultado da execução do trote de 4 passos e da observação. Pode-se observar que o ZNE pode efetivamente reduzir o impacto do ruído e obter valores de observação relativamente precisos. Além disso, o efeito da extrapolação exponencial é geralmente melhor do que a extrapolação linear. A Figura c mostra 
a relação entre o valor médio de cada observação de qubit e a profundidade do circuito. O erro dos resultados sem mitigação de erros torna-se maior à medida que a profundidade do circuito aumenta, enquanto resultados mais precisos ainda podem ser obtidos após a mitigação de erros.
05
****Exemplo Experimental
**
**
(1) trotador de 5 passos, CNOT de 15 camadas
Figura 3 (fonte: artigo original)
Neste exemplo, este artigo usa observações de peso 1, peso 10 e peso 17 para medir o circuito quântico do trotador de 5 passos. Ao realizar simulações clássicas para obter soluções precisas, o método de cone de luz e profundidade reduzida (LCDR) é usado aqui. Está dividido em duas partes. Uma parte é reduzir o número de camadas do circuito que precisam ser simuladas através das características entre portas quânticas e a outra parte é considerar que os qubits relacionados à quantidade de observação A são locais, o que significa que; apenas uma parte dos qubits precisa ser considerada. O Evolution pode então calcular o resultado da observação final em vez de todos os 127 bits.
Conforme mostrado na Figura 3, os números de qubit relacionados das observações de peso 1, peso 10 e peso 17 são 31, 37 e 68, respectivamente. É importante notar que a simulação com 68 qubits ainda está além das capacidades das simulações de força bruta dos computadores clássicos. Portanto, este artigo apresenta redes de tensores, estados de produtos de matrizes 1D (MPS) e estados de redes de tensores isométricos 2D (iso TNS), para simulação. A sua complexidade é
onde 
está a dimensão da ligação e M é o número de bits.
Neste exemplo, o MPS precisa tomar a dimensão do título 
para simular resultados precisos. Pode-se observar pela figura que os resultados experimentais após a mitigação de erros estão mais próximos dos resultados reais.
(2) Adicione uma porta giratória de um bit e um trotador de 5 passos no final
(Fonte: artigo original)
Este exemplo difere do anterior porque uma camada de catracas de bit único é adicionada no final, o que resulta em uma profundidade reduzida de interrupções no circuito. O autor usa observações de peso 17 para medição, e o número de qubits associados a elas é 68. Isto é necessário 
para simular com precisão este processo de evolução.
(3) trotador de 20 passos, CNOT de 60 camadas
(Fonte: artigo original)
Embora apenas observações de peso 1 sejam usadas para medição aqui, devido ao grande número de camadas (trotador de 20 passos), o número de qubits associados a ele chega a 127. Portanto, é muito difícil simular este processo de evolução. Usar o MPS para simular requer 
resultados precisos. Por exemplo, existe um sistema que requer extração da dimensão da ligação 
. Então, independentemente de outros fatores, como o tamanho da memória necessária para armazenar MPS é 
, a memória necessária é 400 PB.
Embora não exista uma solução exata como medida, esses dois exemplos ainda mostram que as técnicas de mitigação de erros ainda são eficazes para circuitos quânticos desse tamanho e profundidade.
06
Resumir
Muitos algoritmos quânticos são limitados pela influência do ruído nos computadores quânticos atuais e não podem demonstrar efetivamente suas vantagens. No entanto, os atuais computadores quânticos barulhentos ainda não são totalmente tolerantes a falhas. O trabalho da IBM desta vez alcançou a simulação do modelo de Ising de campo transversal 2-D em 127 processadores quânticos, mostrando que computadores quânticos barulhentos ainda podem produzir expectativas confiáveis. Isso fornece novas direções de pesquisa para pesquisadores subsequentes.
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