CPQM的量子信息處理實(shí)驗(yàn)室與CDISE的超級計(jì)算團(tuán)隊(duì)"Zhores"合作以模擬Google的量子處理器。按照與Google最近的實(shí)驗(yàn)相同的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)復(fù)制無噪音數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)能夠指出Google的數(shù)據(jù)中潛藏著微妙的效應(yīng)。這種效應(yīng)被稱為可及性缺失，是由Skoltech團(tuán)隊(duì)在過去的工作中發(fā)現(xiàn)的。

數(shù)值學(xué)證實(shí)，Google的數(shù)據(jù)處于所謂的、依賴密度的雪崩的邊緣，這意味著未來的實(shí)驗(yàn)將需要明顯更多的量子資源來進(jìn)行量子近似優(yōu)化。

這些結(jié)果發(fā)表在該領(lǐng)域的權(quán)威雜志《量子》上。

藝術(shù)家對谷歌量子處理器的渲染

從數(shù)值計(jì)算的早期開始，量子系統(tǒng)就顯得極其難以模仿，盡管其確切原因仍然是一個(gè)積極研究的課題。盡管如此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)的這種明顯固有的困難促使一些研究人員翻轉(zhuǎn)了敘述。

理查德·費(fèi)曼和尤里·馬寧等科學(xué)家在20世紀(jì)80年代初推測，那些似乎使量子計(jì)算機(jī)難以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬的未知成分本身可以作為一種計(jì)算資源使用。例如，量子處理器應(yīng)該善于模擬量子系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪怯上嗤幕驹碇涞摹?/p>

這樣的早期想法最終讓Google和其他科技巨頭創(chuàng)造了期待已久的量子處理器的原型版本。值得注意跌勢，這些現(xiàn)代設(shè)備很容易出錯，它們只能執(zhí)行最簡單的量子程序，而且每次計(jì)算都必須重復(fù)多次，以平均誤差，最終形成一個(gè)近似值。

在這些當(dāng)代量子處理器的應(yīng)用中，研究最多的是量子近似優(yōu)化算法，或QAOA（發(fā)音為"kyoo-ay-oh-ay"）。在一系列戲劇性的實(shí)驗(yàn)中，Google使用其處理器探測QAOA的性能，使用23個(gè)量子比特和三個(gè)可調(diào)整的程序步驟。

簡而言之，QAOA是一種方法，其目的是在一個(gè)由經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子協(xié)處理器組成的混合設(shè)置上近似解決優(yōu)化問題。原型的量子處理器，如Google的Sycamore目前被限制在執(zhí)行噪音和有限的操作。使用混合設(shè)置，希望能夠減輕這些系統(tǒng)性的限制，并仍然恢復(fù)量子行為以利用，這使得QAOA等方法特別有吸引力。

Skoltech的科學(xué)家們最近取得了一系列與QAOA有關(guān)的發(fā)現(xiàn)。其中最突出的是一個(gè)從根本上限制QAOA適用性的效應(yīng)。他們表明，一個(gè)優(yōu)化問題的密度，即其約束條件和變量之間的比率是實(shí)現(xiàn)近似解的主要障礙。以在量子協(xié)處理器上運(yùn)行的操作而言，需要額外的資源來克服這一性能限制。這些發(fā)現(xiàn)是用紙筆和非常小的仿真器完成的，研究人員希望證實(shí)他們最近發(fā)現(xiàn)的效果是否在Google最近的實(shí)驗(yàn)研究中表現(xiàn)出來。

Skoltech的量子算法實(shí)驗(yàn)室隨后與Oleg Panarin領(lǐng)導(dǎo)的CDISE超級計(jì)算團(tuán)隊(duì)接洽，以獲得模擬Google量子芯片所需的大量計(jì)算資源。量子實(shí)驗(yàn)室成員、高級研究科學(xué)家Igor Zacharov博士與其他幾個(gè)人合作，將現(xiàn)有的仿真軟件轉(zhuǎn)變?yōu)樵试S在Zhores上進(jìn)行并行計(jì)算的形式。幾個(gè)月后，該團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)建了一個(gè)仿真，該仿真輸出的數(shù)據(jù)具有與Google相同的統(tǒng)計(jì)分布，并顯示了QAOA性能急劇下降的實(shí)例密度范圍。他們進(jìn)一步顯示，Google的數(shù)據(jù)位于這個(gè)范圍的邊緣，超過這個(gè)范圍，目前的技術(shù)水平不足以產(chǎn)生任何優(yōu)勢。

Skoltech團(tuán)隊(duì)最初發(fā)現(xiàn)，可達(dá)性缺陷--一種由問題的約束與變量比率引起的性能限制存在于一種叫做最大約束滿足性的問題中。而Google則考慮了圖能量函數(shù)的最小化。由于這些問題屬于同一復(fù)雜度類別，這給團(tuán)隊(duì)帶來了概念上的希望，即這些問題，以及后來的效果，可能是相關(guān)的。這一直覺被證明是正確的。數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，研究結(jié)果清楚地表明，可達(dá)性缺陷產(chǎn)生了一種雪崩效應(yīng)，使Google的數(shù)據(jù)處于這種快速轉(zhuǎn)變的邊緣，超過這個(gè)邊緣，更長、更強(qiáng)大的QAOA電路就成為一種必要。

Skoltech公司的數(shù)據(jù)和信息服務(wù)經(jīng)理Oleg Panarin評論說。"我們非常高興看到我們的計(jì)算機(jī)被推到這個(gè)極端。這個(gè)項(xiàng)目是漫長而富有挑戰(zhàn)性的，我們與量子實(shí)驗(yàn)室攜手合作，開發(fā)了這個(gè)框架。我們相信這個(gè)項(xiàng)目為未來使用Zhores進(jìn)行這種類型的演示設(shè)定了基線。"

Skoltech公司的高級研究科學(xué)家Igor Zacharov補(bǔ)充說："我們從這項(xiàng)研究的第一作者Akshay Vishwanatahan那里獲得了現(xiàn)有的代碼，并把它變成了一個(gè)可以并行運(yùn)行的程序。當(dāng)數(shù)據(jù)最終出現(xiàn)時(shí)，對我們所有人來說是一個(gè)激動人心的時(shí)刻：我們擁有了與Google一樣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在這個(gè)項(xiàng)目中創(chuàng)建的軟件包現(xiàn)在可以模擬各種最先進(jìn)的量子處理器，有多達(dá)36個(gè)量子比特和十幾層深度"。

Skoltech的博士生Akshay Vishwanatahan總結(jié)說。"在QAOA中超過幾個(gè)量子比特和幾層，在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)具有明顯挑戰(zhàn)性的任務(wù)。我們開發(fā)的內(nèi)部仿真軟件只能解決玩具模型的情況，我最初覺得這個(gè)項(xiàng)目雖然是一個(gè)令人興奮的挑戰(zhàn)，但幾乎不可能完成。幸運(yùn)的是，我身處一群樂觀和積極的同行之中，這進(jìn)一步激勵我堅(jiān)持下去，重現(xiàn)Google的無噪音數(shù)據(jù)。當(dāng)我們的數(shù)據(jù)與Google的數(shù)據(jù)相匹配時(shí)，當(dāng)然是一個(gè)非常興奮的時(shí)刻，因?yàn)槲覀兊臄?shù)據(jù)具有類似的統(tǒng)計(jì)分布，從中我們終于能夠看到效果的存在。"