算法成功率提升1000倍！IBM量子云首次集成第三方错误抑制软件
光子盒研究院
当今的量子计算机容易出错，这使得在量子计算机上进行任何有用的计算都非常头疼。11月27日，IBM宣布，他们已将Q-CTRL的错误抑制技术（名为Q-CTRL Embedded）集成到IBM云量子服务中：用户只需轻按开关，就能降低错误率。
显示名为 Q-CTRL Embedded软件如何与IBM Quantum集成的图表
IBM的云量子计算服务器现在使用由总部位于澳大利亚悉尼的Q-CTRL公司开发的纠错协议，据报告，与没有使用该协议的基线系统相比，该协议在量子计算中提供的结果要可靠得多
论文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.024034
利用量子力学不寻常特性的计算机，其计算能力最终将超越最强大的超级计算机。但是，能够实现这一点的量子态非常脆弱，而且容易受到噪声的影响，这意味着要在它们被错误淹没之前执行操作是一项巨大的挑战。
人们普遍认为，大规模量子计算机需要某种形式的纠错。主要的方案包括将信息分散到大量物理量子比特上，以创建更强大的“逻辑量子比特”；但这可能需要为每个逻辑比特配备多达一千个物理比特。鉴于当今最大的处理器仅有数百个量子比特，纠错量子计算的前景依然遥远。
与此同时，位于澳大利亚悉尼的新创公司Q-CTRL称，驯服不守规矩的近期量子处理器的最佳方法是“错误抑制”——即改变操作底层硬件的方式，以降低出错的可能性。该公司表示，通过综合运用各种技术，其软件可以将算法成功运行的几率提高几个数量级。现在，IBM已将这项技术集成到其量子云产品中。
Q-CTRL首席执行官兼创始人迈克尔·比尔库克（Michael Biercuk）说：“在我们这个行业，典型的用户体验很少能达到硬件所能提供的极限，这是一个有点‘肮脏’的秘密。这是因为性能实际上被各种噪音、干扰和错误所掩盖。我们通过我们的性能管理解决方案来抑制这种误差，使用户可以立即访问硬件理论上可以提供的最佳性能。”
该公司的软件无需IBM最终用户进行任何配置。通过“即用即付”计划在云端访问大蓝公司量子硬件的客户，使用该功能的用户无需支付额外费用、只需一行代码即可调用该软件。与使用标准设置运行相比，该软件可以显著提高计算结果的质量：使用Q-CTRL软件运行的硬件算法与不使用Q-CTRL软件运行的硬件算法相比，成功概率提高了1000倍。
客户只需看到一个可以开关的“性能管理”选项；点击开关后，一组自动运行的不同软件模块将在后台运行，以优化用户算法在硬件上的运行方式。
据比尔库克介绍，Q-CTRL的量子编译器先从数学上优化了运行算法所需的逻辑门数量，然后再对这一最小电路进行几个进一步的错误抑制步骤。首先，根据预先执行的测试测量目录，将逻辑门映射到硬件的量子比特上，以避免最容易出错的布局。电路中还交错使用了一种被称为“动态解耦”的技术，在这种技术中，量子比特会受到控制脉冲的影响，以消除来自附近其他量子比特的串扰。
另外，Q-CTRL设计的人工智能会定期重新定义用于在硬件上实现电路的机器语言。每隔六到十二个小时，人工智能就会运行多个测试电路，检查各种潜在的门实现是如何导致错误的。然后将结果编译到一个查找表中，由编译器用来构建电路。
最后，一旦电路运行完毕，软件就会对结果进行最后的后处理，以捕捉测量误差。比尔库克解释说：“量子计算机失败的原因之一是算法实际上运行正确，但当你查看答案并将其读出时，这个过程就出现了问题。Q-CTRL的软件利用神经网络学习硬件中出现测量误差的模式，然后，系统利用这些模式来抵消读出中的任何误差。”
在所有这些减少误差的努力协同作用下，这些不同的模块提高了算法成功运行的几率：在量子计算机方面，这并不是一件稳赚不赔的事情。
值得注意的是，Q-CTRL软件执行的是误差抑制功能，它不需要额外的开销，只需多次运行即可完成工作。IBM曾开发了多种错误抑制算法，包括零噪声外推法 (ZNE) 和概率错误消除法 (PEC)，其工作原理是对程序进行多次“拍摄”（shot），并使用经典计算机分析最终结果以减少错误。这两种方法并不相互排斥，可以同时使用。
比尔库克说，公司的软件可以与任何类型的量子计算硬件配合使用：无论是捕获离子、超导量子比特还是冷原子。虽然为特定处理器配置软件需要花费一些时间和精力，但用户在运行时不会产生额外的计算成本。
Q-CTRL认为，对于许多对量子计算感兴趣的公司来说，一种“开箱即用”的错误抑制解决方案可能是一个福音。通常情况下，他们专注于算法开发，但错误抑制需要低级硬件操作方面的专业知识。
总体来说，Q-CTRL Embedded通过简单的免配置设置提高了计算精度和效率。根据最近同行评议的相关研究以及在公用事业规模量子系统上进行的新测试，其效益可达：
- 可运行的量子算法复杂度提高10倍（通过电路深度衡量），达到硬件的内在极限；
- 通过减少抑制误差所需的实验“镜头”（shot）数量，与其他研究级误差抑制策略相比，成本降低100倍；
- 将业内广泛使用的量子算法的成功率提高1000倍以上。
这些功能与IBM量子发展路线图相结合，旨在加速实现量子优势，让从研究到企业的最终用户都能从量子应用中获得他们一直在寻求的战略优势。
“这有点像要求正在构建Salesforce或Facebook的网络开发人员，能不能从晶体管的电压层面开始编程。我们打破了底层量子处理器及其操作方式与以应用为中心的最终用户编程之间的联系。这是一个巨大的变化。”
参考链接：
[1]https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction-ibm
[2]https://q-ctrl.com/blog/q-ctrl-integrates-its-error-suppression-technology-into-ibm-quantum-services
[3]https://thequantuminsider.com/2023/11/28/q-ctrl-integrates-error-suppression-technology-into-ibm-quantum-services/
[4]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/q-ctrl-integrates-its-error-suppression-technology-into-ibm-quantum-services/
[5]https://quantumcomputingreport.com/q-ctrl-error-suppression-technology-integrated-into-ibm-quantums-pay-as-you-go-plan/#
- 发表于:
- 原文链接：https://page.om.qq.com/page/OssniuPB9hCzXeDXuS43jcVg0
- 腾讯「腾讯云开发者社区」是腾讯内容开放平台帐号（企鹅号）传播渠道之一，根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。
- 如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
相关快讯
扫码
添加站长 进交流群
领取专属 10元无门槛券
私享最新 技术干货
腾讯云开发者
