量子计算新“尺度”：用经典计算机评估复杂量子系统！

未来的量子计算机有望在计算机科学、医疗、商业、化学、物理学等多个领域解决难题，从而超越传统计算机。然而，目前的量子计算机仍存在局限，主要是由于它们固有的错误率。为此，研究者正致力于降低这些错误率。

一种研究量子计算机误差的方法是通过经典计算机模拟量子系统并核实其准确性。但随着量子计算机的复杂性增加，用传统计算机进行模拟所需的时间可能长达数年。

加州理工学院的研究团队最近提出了一种创新方法，使经典计算机能够在不完全模拟的情况下评估量子计算机的错误率。他们在《自然》杂志发表的论文中详细介绍了这一方法。

“在一个理想的世界里，我们的目标是尽可能减少这些错误。这是我们在量子计算领域共同的梦想，”加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）实验室的研究生亚当·肖（Adam Shaw）表示。“与此同时，我们需要深入了解系统中的错误，以便有效地减少它们。这驱使我们开发了一种新的系统成功率估算方法。”

亚当·肖（Adam Shaw）

在他们的最新研究中，团队使用了量子模拟器进行实验。这些模拟器的应用范围比现有的初级量子计算机更为有限，通常是为特定任务而定制的。该研究组的模拟器由独立控制的里德堡原子组成，这些原子处于高激发状态，可通过激光进行操控。

量子模拟器，和所有量子计算机一样，其一个核心特征是量子纠缠。在这种现象中，某些原子会相互关联，尽管它们实际上并不相接触。当量子计算机解决问题时，系统内部自然会形成纠缠，以看不见的方式连接原子。

去年，恩德雷斯、肖及其团队发现，随着纠缠的增加，这些连接以一种混乱或随机的方式扩散，意味着微小的变动可能引起巨大的变化，就像蝴蝶效应理论所描述的那样。

正是由于这种不断增长的复杂性，量子计算机在解决某些类型的问题时，如快速分解大数这类密码学问题，比传统计算机更为高效。

然而，一旦量子计算机中的原子或量子比特数量达到一定水平，它们就无法再用传统计算机模拟。肖指出：“一旦超过30个量子比特，情况就变得极其复杂。量子比特和纠缠越多，计算就越困难。”

在最新的研究中，加州理工学院的研究团队使用了一个具有60个量子比特的量子模拟器，正如亚当·肖所指出的，这种规模的量子系统已超出了传统计算机精确模拟的能力范围。

肖解释道：“这提出了一个挑战。我们旨在研究一种超出经典计算机能力范畴的机制，却不得不依赖于这些经典计算机来验证我们的量子模拟器的准确性。”

面对这一挑战，肖和他的同事们采用了一种创新的方法，即运行可以模拟不同纠缠程度的经典计算机模拟。肖将这种方法比作使用不同大小的画笔来作画。

他进一步解释说：“假设我们的量子计算机正在画蒙娜丽莎。它能够高效地完成这项任务，理论上还能达到完美，但实际上它也会犯错，在某些部分擦掉颜料。这就像是量子计算机的手在颤抖。我们希望通过经典计算机模拟量子计算机的操作来量化这些错误，但对于经典计算机而言，蒙娜丽莎的复杂性超出了它们的处理能力，好似它们只配备了笨重的画刷和滚筒，无法捕捉到精细的细节。”

“相反，我们让多台经典计算机尝试用越来越细的画笔画同样的图像，然后我们试图估计如果它们能够完美地完成任务，最终的作品会是什么样子。通过将其与量子计算机的作品进行比较，我们可以估算出后者的错误率。多次的交叉验证后，我们在数学上证明了这种方法的合理性，并能够相当准确地得出结果。”

经典计算机无法完全模拟量子系统的工作，尤其是那些拥有超过30个量子比特的系统。举个假设的例子，如果量子计算机要绘制《蒙娜丽莎》，它可以绘制出许多细节，但很容易出错，因此在这位艺术家的概念图中，右边的画作看起来很模糊。经典计算机无法像量子计算机那样创造出细节，但可以大致接近量子计算机的任务，因此左边的图像出现了像素化。为了绕过这一限制，更好地模拟量子系统，研究人员使用了一种方法来改变经典计算机模拟中的“像素化”程度，然后根据这些结果来推断量子系统的“模糊程度”

量子和经典系统中的纠缠

用近似经典算法估算保真度失败

对60原子系统进行保真度基准测试

模拟实验的经典成本

研究团队估算，他们的60量子比特量子模拟器的错误率为91%（即准确率为9%）。虽然这个数字看似不高，但对于目前的技术水平而言，这已是相对较高的准确率了。作为参考，谷歌在2019年的一项实验中声称其量子计算机的性能超越了传统计算机，但其准确率仅为0.3%（尽管该实验中的系统与本研究的系统不同）。

肖总结道：“我们现在有了一个评估量子计算系统误差的基准。这意味着，当我们改进硬件时，我们能够衡量这些改进带来的成效。此外，这个新的基准还使我们能够测量量子模拟中的纠缠程度，这是另一种衡量量子模拟成功与否的关键指标。”

[1]https://quantumcomputingreport.com/fault-tolerant-quantum-computers-will-arrive-earlier-than-we-original-thought/#

[2]https://www.caltech.edu/about/news/verifying-the-work-of-quantum-computers

[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/1038473

[4]https://techxplore.com/news/2024-03-method-classical-accuracy-complex-quantum.html