谷歌已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”，但如何確定量子計(jì)算機(jī)算的對(duì)不對(duì)，是否按預(yù)定設(shè)計(jì)執(zhí)行了計(jì)算步驟，仍是一個(gè)難題。近日，MIT與谷歌的研究人員利用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“解采樣”解決了這個(gè)問(wèn)題。論文已發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上。

為了讓量子計(jì)算盡快推向?qū)嵱茫槭±砉W(xué)院，谷歌等機(jī)構(gòu)和企業(yè)設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)，可以驗(yàn)證量子芯片是否能夠準(zhǔn)確執(zhí)行了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的復(fù)雜計(jì)算。

量子芯片使用“量子比特”執(zhí)行計(jì)算，量子比特可以表示對(duì)應(yīng)于經(jīng)典二進(jìn)制位的兩個(gè)狀態(tài)（0或1）或兩個(gè)狀態(tài)同時(shí)呈現(xiàn)的“量子疊加”。這種獨(dú)特的疊加狀態(tài)，可以使量子計(jì)算機(jī)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎無(wú)法解決的問(wèn)題，在材料設(shè)計(jì)，新藥發(fā)現(xiàn)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方面取得突破。

完全體的量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。過(guò)去幾年中，研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)包含大約50至100量子比特的“噪聲中級(jí)量子”（NISQ）芯片。

NISQ芯片可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以處理的某些算法。但是，下一個(gè)難題是如何驗(yàn)證量子芯片是否按預(yù)期執(zhí)行操作。NISQ芯片的輸出看起來(lái)可能是完全隨機(jī)的，要確定一切是否按計(jì)劃進(jìn)行需要很長(zhǎng)時(shí)間。

近日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上的一篇論文中，研究人員描述了一種新方法，可以有效地驗(yàn)證NISQ芯片已經(jīng)執(zhí)行了所有正確的量子操作。

分而治之：先分解，再還原

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研究人員的工作實(shí)質(zhì)上是將量子電路產(chǎn)生的輸出量子狀態(tài)追溯到已知的輸入狀態(tài)。這樣做可以揭示從輸入到輸出執(zhí)行了哪些電路操作。這些操作應(yīng)始終與研究人員編寫(xiě)的程序相匹配。如果不匹配，研究人員可以利用這些信息來(lái)確定芯片上哪里出了問(wèn)題。

為此，研究人員從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中汲取靈感，構(gòu)建了一個(gè)新的“量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”（QNN），其中每一層代表一組量子運(yùn)算。

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為了運(yùn)行QNN，研究人員使用傳統(tǒng)的硅制造技術(shù)來(lái)構(gòu)建2 x 5毫米NISQ芯片，成對(duì)的光子從外部組件以特定的波長(zhǎng)生成，并注入到芯片中。光子穿過(guò)芯片的移相器，移相器會(huì)改變光子的路徑，從而相互干擾。

這個(gè)過(guò)程將產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的量子輸出狀態(tài)，用以表示在計(jì)算過(guò)程中將發(fā)生的情況。輸出信號(hào)由一組外部光電探測(cè)器傳感器測(cè)量。

將輸出發(fā)送到QNN中。QNN的第一層使用復(fù)雜的優(yōu)化技術(shù)來(lái)挖掘嘈雜的輸出，區(qū)分所有疊加在一起的單個(gè)光子的簽名。然后對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行“解擾”，識(shí)別是哪些電路操作將其返回到對(duì)應(yīng)光子的已知輸入狀態(tài)。這些操作與電路特定設(shè)計(jì)完全匹配。

然后對(duì)所有后續(xù)層都進(jìn)行相同的計(jì)算，直到所有光子都處于未加密狀態(tài)為止。

例如，假設(shè)輸入處理器的量子比特的輸入狀態(tài)全為零。由NISQ芯片對(duì)量子比特執(zhí)行一系列操作，生成大量看似隨機(jī)的數(shù)字輸出。

QNN會(huì)逐層確定哪些操作將每個(gè)量子比特還原回其輸入的零狀態(tài)。如果有任何操作與原計(jì)劃的操作不同，就說(shuō)明出現(xiàn)了問(wèn)題。研究人員可以檢查預(yù)期輸出與輸入狀態(tài)之間哪里不匹配，并根據(jù)這些異常來(lái)調(diào)整電路設(shè)計(jì)。

玻色子“解采樣”：算的準(zhǔn)不準(zhǔn)一測(cè)便知

在實(shí)驗(yàn)中，研究小組成功運(yùn)行了一項(xiàng)流行的計(jì)算任務(wù)，該任務(wù)用于證明量子優(yōu)勢(shì)，該任務(wù)名為“玻色子采樣”，通常在光子芯片上執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)中，移相器和其他光學(xué)組件操縱一組輸入光子，并將其轉(zhuǎn)換為輸出光子的不同量子態(tài)疊加。實(shí)驗(yàn)任務(wù)是計(jì)算某個(gè)輸入狀態(tài)與某個(gè)輸出狀態(tài)相匹配的概率。

但是由于光子的不可預(yù)測(cè)性，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成這個(gè)任務(wù)。從理論上講，NISQ芯片可以快速計(jì)算。但是，由于NISQ操作和任務(wù)本身的復(fù)雜性，到目前為止，還沒(méi)有方法可以快速、輕松地進(jìn)行驗(yàn)證算出來(lái)的結(jié)果到底對(duì)不對(duì)。

卡洛蘭說(shuō)：“賦予這些芯片量子計(jì)算能力的相同特性幾乎使它們無(wú)法驗(yàn)證。”

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員能夠在其定制的NISQ芯片上“解采樣”遇到玻色子采樣問(wèn)題的兩個(gè)光子，驗(yàn)證只需很短的時(shí)間，可以采用傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法。

“從這個(gè)角度來(lái)看，該方案是未來(lái)量子工程師的重要基準(zhǔn)測(cè)試工具。

卡羅蘭說(shuō)，盡管該方法是為量子驗(yàn)證目的而設(shè)計(jì)的，但也可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)有用的物理性質(zhì)。例如，某些分子在激發(fā)時(shí)會(huì)振動(dòng)，并基于這些振動(dòng)發(fā)出光子。將這些光子注入光子芯片，可用于發(fā)現(xiàn)有關(guān)分子的量子動(dòng)力學(xué)的信息，進(jìn)行生物工程分子設(shè)計(jì)。

“我們的夢(mèng)想是，希望這個(gè)驗(yàn)證技術(shù)可以解決物理世界中更多有趣的問(wèn)題。”