驗證量子芯片計算是否正確的方法

在向實際量子計算邁進的過程中，來自麻省理工學院、谷歌和其他地方的研究人員設計了一個系統，可以驗證何時量子芯片能夠準確地完成經典計算機無法完成的復雜計算。

量子芯片使用量子位來進行計算，量子位可以表示經典二進制位對應的兩種狀態，或者同時表示兩種狀態的“量子疊加”。這種獨特的疊加態可以使量子計算機解決經典計算機實際上不可能解決的問題，這有可能推動材料設計、藥物發現和機器學習等應用領域的突破。

全尺寸量子計算機將需要數以百萬計的量子位元，在過去的幾年里，研究人員已經開始開發NISQ芯片，它包含大約50到100個量子位。這足以證明“量子優勢”，意味著NISQ芯片可以解決某些經典計算機難以解決的算法。然而，驗證芯片按預期執行的操作可能非常低效。因為芯片的輸出可能完全是隨機的，所以需要很長時間來模擬步驟，以確定是否一切按計劃進行。在《自然物理》雜志上發表的一篇論文中，研究人員描述了一種新的協議，可以有效地驗證NISQ芯片是否執行了所有正確的量子操作。他們在一個運行在定制量子光子芯片上的量子難題上，驗證了他們的協議。

研究人員的工作實質上是將量子電路產生的輸出量子態追溯到已知的輸入狀態。這樣做可以揭示在輸入端執行了哪些電路操作來產生輸出。這些操作應該總是與研究人員編寫的程序相匹配，如果沒有相匹配的程序，也可以利用這些信息來確定芯片的問題所在。

研究人員從神經網絡中獲得靈感，建立了一個新的“量子神經網絡”，每一層代表一組量子操作。在實驗中，研究小組成功地運行了一項用于證明量子優勢的流行計算任務——“玻色子取樣”，通常在光子芯片上進行。在本練習中，移相器和其他光學元件將操縱一組輸入光子并將其轉換為輸出光子的不同量子疊加，最終任務是計算某個輸入狀態與某個輸出狀態匹配的概率，由于光子的不可預測行為，經典計算機幾乎不可能計算出這些樣本。據推測，NISQ芯片能相當快地計算它們。然而到目前為止，由于NISQ操作和任務本身所涉及的復雜性，無法快速且容易地驗證，但重要的是，起碼有了驗證的希望。