如何验证量子芯片的计算是否正确？
极客时间编辑部
讲述：丁婵大小：6.82M时长：04:57
在向实际量子计算时代迈进的征途中，来自麻省理工学院、谷歌以及其他组织的研究人员共同设计了一个系统，可以验证量子芯片是否能够准确地完成传统计算机无法完成的复杂计算。
量子芯片使用被称为“量子比特（qubits）”的量子信息位元来进行计算。量子比特可以表示传统二进制位（0 或 1）所对应的两种状态，或者表示两种状态同时存在的“量子叠加”状态。
全面采用量子运算的计算机将需要数以百万计的量子比特，目前这还无法实现。而在过去的几年里，研究人员已经开始开发“嘈杂中型量子”即 NISQ 芯片，这种芯片包含大约 50 到 100 个量子比特。然而，芯片是否按预期执行了操作，为此进行的验证工作可能会非常低效。芯片的输出可能看上去是完全随机的，因此需要很长时间来对其计算步骤进行模拟，才能确定是否一切按预定计划执行了运算。
在 2020 年 1 月《自然物理》（Nature Physics）杂志上发表的一篇论文中，研究人员描述了一种新颖的协议，可以有效地验证 NISQ 芯片是否执行了所有正确的量子操作。通过在定制量子光子芯片上运行一个著名的量子难题，他们对这个协议进行了验证。
分而治之
这些研究人员的工作实质上是将量子电路产生的输出量子态追溯至已知的输入状态。这样就能揭示在输入端执行了哪些电路操作来产生这样的输出。这些操作应该始终与研究人员编写的程序相匹配。如果匹配失败，研究人员可以利用这些信息来定位芯片的问题出在什么地方。
这个新协议的核心是“可变量子反采样”（Variational Quantum Unsampling），它采用了“分而治之”的方法，将输出的量子态分解成多个块。
为了这项研究，这些研究人员们从通过多层计算来解决问题的“神经网络”中获得了灵感，建立了一个新型的“量子神经网络”（QNN），在这个网络中每一层代表一组量子运算操作。
为了运行这个量子神经网络，他们使用传统的硅制造技术打造了一款 2×5 毫米的 NISQ 芯片，该芯片有超过 170 个控制参数，这些参数受控于可调电路元件，这样使得对光子路径的操控变得更加容易。一个外部组件产生特定波长的成对的光子，再将光子注入该芯片。光子穿越芯片中能改变光子路径的移相器，从而发生相互干扰。这会产生一个随机的量子输出状态，该输出代表了在计算过程中会发生什么。并通过一组外部光电探测传感器对这些输出状态进行测量。
这些输出会被发送至量子神经网络进行解译。该网络的第一层采用了复杂的优化技术，可以在混杂的输出中进行单个光子的“挖掘”，在互扰的输出中识别出单个光子的特征。然后，它从嘈杂的一组输出中对单个光子进行“解扰”，以识别什么电路操作能将其逆向恢复为已知的输入状态。这些操作应该与电路的具体设计完全匹配。随后网络中所有其他的层次也会执行同样的计算，只是会从方程中去掉任何之前已经解扰的光子，如此重复执行计算直到所有光子都被解扰。
玻色子“反采样”实验
在实验中，该科研团队成功地执行了一项用于证明量子优势的著名高难计算任务，即通常在光子芯片上进行的“玻色采样”（Boson Sampling）。在这个实验中，移相器和其他光学元件会实现一系列操控，将一组输入光子转换为呈不同量子叠加状态的输出光子。该实验的最终任务是计算这个过程中某个输入状态与某个输出状态匹配的概率。本质上而言，该结果是一个概率分布的样本。
由于光子行为的不可预测性，计算出这些样本，对于传统计算机而言几乎是不可能完成的任务。理论上，NISQ 芯片可以十分快速地完成这样的计算。在实验中，研究人员实现了在定制的 NISQ 芯片上“反采样”两个进行了“玻色采样”的光子，并且在较短的时间内就用传统方法完成了验证工作。
以上就是“验证量子芯片的计算是否正确”的实践经验，希望能给你带来参考价值。
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