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基于云的量子计算真的能提供量子优势吗？

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发布时间：2023-09-25
 
量子机器可以大大加快某些类型的计算速度，但前提是机器中的两个或多个量子比特是纠缠在一起的，也就是说，尽管被分开，但仍能显示相关的行为。
 
为了让云量子计算服务的用户找到检测量子比特纠缠的方法，韩国科学技术院的Jiheon Seong和Joonwoo Bae开发并测试了一种纠缠见证电路：即使基于云的服务只允许对机器进行有限的控制，它也能证明纠缠。他们的研究成果发表在《智能计算》（Intelligent Computing）杂志上。
 

“Detecting Entanglement-Generating Circuits in Cloud-Based Quantum Computing”
 
该服务的输入是用户设计的量子电路。服务从量子比特分配开始，将物理量子比特与设计的电路联系起来。电路的实现在服务中运行，测量统计数据作为结果返回给用户。如果在服务中实现了能够产生纠缠态的量子电路，就可以获得量子优势。
 
研究人员希望构建能在量子比特之间产生纠缠的电路。然而，在使用电路之前，他们并不知道该电路是否能产生纠缠。研究人员可以使用一种叫做量子层析成像的昂贵程序，或者使用纠缠见证器——纠缠见证器是一个与两个特定量子比特及其状态相关的数学函数。其输出值预示着量子比特的状态是纠缠还是可分离。
 
遗憾的是，在无法直接进入量子机器的情况下，并非总能使用纠缠见证。在实验室环境和IBMQ云量子计算服务中，研究人员可以选择将机器的哪些硬件量子比特分配给电路；而在IonQ基于云的量子计算服务中，用户没有这种程度的控制权，因此无法确保获得适当的值来计算纠缠见证函数的输出。
 
研究人员对IBMQ和IonQ云服务的唯一输入就是量子电路。为了解决这一限制，Seong和Bae设计了特殊的纠缠见证电路，使用纠缠见证策略来证明纠缠量子比特的存在。研究人员可以使用这些电路，仅利用服务输出的测量统计数据来检测纠缠。
 
他们不需要能够控制量子比特的分发。纠缠见证电路使使用云计算的研究人员能够满足寻求量子优势过程中的“基本要求”。
 
此外，新的纠缠见证电路建立在最近开发的名为EW 2.0的框架上，其探测纠缠的效率是EW 2.0的两倍。
 
(A)在IBMQ Casablanca上对标记为(1，2)和(2，3)的2个量子比特进行纠缠生成认证。(B) 根据EW 2.0框架构建EWC，然后应用于认证纠缠生成。基于云的量子计算服务会返回结果统计数据。(C) 如果下限或上限被违反，EGC将被认证。可分性窗口为[0.125,0.375]，超出此范围的估计值将被认证为纠缠态。
 
 
本研究中，在不假设可信量子比特分发的情况下，建立了认证云量子计算服务中纠缠生成的框架。Seong和Bae描述了二量子比特和三量子比特纠缠产生电路的纠缠检测，概述了为纠缠产生电路构建纠缠见证电路的两种方案，并分享了使用IBMQ和IonQ云量子计算服务的实验结果。
 
“一般来说，”实验结论认为：“这些结果可用于认证云量子计算服务中的纠缠生成。纠缠生成得到认证的量子硬件满足了获得量子优势的基本要求。”未来，除了量子比特分配之外，是否可以放宽其他假设以进一步提高认证水平，这将是一个有趣的探索。
 

 

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