系统地为量子计算机寻找最佳量子操作序列的新方法

量子操作序列（概念图）。六条水平蓝线代表六个量子位，输入在左侧，输出在右侧。操作从左到右执行。每个红色方块代表一个 1 量子位操作，每个绿色垂直线连接两条蓝色线表示一个 2 量子位操作。以最少的操作实现最优的量子操作序列。图片来源：国家信息通信技术研究所（NICT）;庆应义塾大学;东京理科大学;东京大学理学院

日本国立信息通信技术研究所，庆应义塾大学，东京理科大学和东京大学首次成功地开发了一种系统地为量子计算机找到最佳量子操作序列的方法。

为了让量子计算机执行任务，需要编写一系列量子操作。到目前为止，计算机操作员已经基于现有方法（配方）编写了自己的量子操作序列。这次开发的是一种系统方法，它应用最优控制理论（GRAPE算法）从所有可想象的量子操作序列中识别理论上最优序列。

这种方法有望成为中型量子计算机的有用工具，并有望在不久的将来为提高量子计算机的性能和减少对环境的影响做出贡献。

这项研究发表在《物理评论A》上。

目前正在开发的量子计算机预计将对社会产生重大影响。它们的好处包括通过降低能耗来减轻环境负担，寻找新的医疗用途化学物质，以及加速寻找更清洁环境的材料。

量子计算机的一个大问题是量子态对噪声非常敏感，因此很难长时间稳定地维持它（保持相干量子态）。为了获得最佳性能，有必要在保持相干量子态的时间内完成运算。需要一种方法来系统地确定最佳序列。

准备四量子位状态N时可以达到的最大保真度F是用于状态准备的2量子位门数，F是保真度（如果小于1，则目标状态准备不完整），n是量子位数。图片来源：国家信息通信技术研究所（NICT）;庆应义塾大学;东京理科大学;东京大学理学院

成就

研究小组开发了一种系统方法来识别最佳量子操作序列。

当计算机存储和处理信息时，所有信息都转换为值为 0 或 1 的位字符串。量子操作序列是用人类可读的语言编写的计算机程序，经过转换，以便量子计算机可以对其进行处理。量子操作序列由 1 量子位操作和 2 量子位操作组成。最佳序列是操作最少且显示最佳性能的顺序。

新方法使用称为GRAPE的计算算法分析基本量子运算的所有可能序列，这是一种数值最优控制理论算法。具体来说，它为每个序列创建一个量子操作序列表和性能指数（保真度F），范围从数千到数百万，具体取决于量子比特数和所研究的操作数。根据积累的数据系统地识别最优量子操作序列。

新方法还可以分析所有量子操作序列的完整列表并评估常规配方。因此，它可以为过去和未来关于小量子位量子算法性能的研究提供有价值的工具。

提高量子计算机性能（概念图）。量子计算机的一致性会随着时间的推移而下降。如果相干性变得太低，量子计算机中的信息就变得毫无意义。通过优化量子计算机的运行，可以在量子相干性低于效用阈值之前处理更多信息。图片来源：国家信息通信技术研究所（NICT）;庆应义塾大学;东京理科大学;东京大学理学院

展望

为量子计算机找到最佳量子操作序列的系统方法有望成为中型量子计算机的有用工具。在不久的将来，它有望提高量子计算机的性能，并有助于减轻环境负担。

该团队还发现，有许多量子操作的最优序列非常出色。这意味着概率方法可以将这种新方法的适用性扩展到更大的任务。基于分析大型数据集的方法表明，将机器学习与这种新方法集成的可能性，以进一步增强预测能力。将来，研究小组将把这次获得的结果应用到从实际量子算法中获得的任务的优化中。

更多信息：Sahel Ashhab等人，用于状态准备和酉算子合成的量子电路的数值分析，物理评论A（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevA.106.022426

期刊信息：物理评论A