针对量子计算优化 SWAP 网络

用于AQT门的软件优化SWAP网络的综合原理图。图片来源：Rich Rines/Super.tech

劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的高级量子测试平台（AQT）和芝加哥 Super.tech（2022年5月被ColdQuanta收购）的研究合作伙伴关系展示了如何优化ZZ SWAP网络协议的执行，这对量子计算很重要。该团队还引入了一种用于量子错误缓解的新技术，该技术将改善网络协议在量子处理器中的实现。实验数据于今年7月发表在《物理评论研究》上，在短期内增加了更多的途径，以使用基于门的量子计算实现量子算法。

用于超导量子硬件的智能编译器

具有二维或三维架构的量子处理器具有有限的量子位连接，其中每个量子位仅与有限数量的其他量子位相互作用。此外，每个量子比特的信息只能存在这么长时间，然后噪声和错误才会导致退相干，从而限制了量子算法的运行时和保真度。因此，在设计和执行量子电路时，研究人员必须优化由抽象（逻辑）门组成的电路的转换，以基于给定量子处理器中可用的本机硬件门的物理指令。高效的电路分解可以最大限度地减少工作时间，因为它们考虑了硬件本身支持的门数和操作，以执行所需的逻辑操作。

SWAP门 - 在量子位之间交换信息 - 通常引入量子电路中以促进非相邻量子位中信息之间的相互作用。如果量子设备只允许相邻量子位之间的门，则交换用于将信息从一个量子位移动到另一个不相邻的量子位。

在嘈杂的中尺度量子（NISQ）硬件中，引入交换门可能需要大量的实验开销。交换门通常必须分解为本机门，例如受控非门。因此，在设计量子比特连接受限的量子电路时，使用可以搜索、分解和取消冗余量子门的智能编译器来改善量子算法或应用程序的运行时非常重要。

在四个量子位上用于 QAOA 的 SWAP 网络示意图。图片来源：Akel Hashim/Berkeley Lab

该研究合作伙伴关系使用Super.tech的SuperstaQ软件，使科学家能够精细地定制他们的应用程序，并自动编译AQT超导硬件的电路，特别是对于原生高保真受控S门，这在大多数硬件系统上都不可用。这种具有四个转门量子位的智能编译方法允许SWAP网络比标准分解方法更有效地分解。

ZZ SWAP门网络只需要量子比特之间最小的线性连接，而无需额外的耦合，因此它为量子算法（如量子近似优化算法（QAOA））的高效执行提供了实际优势。QAOA近似于组合优化问题的解决方案 - 通过给出一组标准来找到最佳答案。Maximum-Cut问题可用于在传输网格系统上排列集线器，是一个着名的组合优化问题的一个例子，可以使用量子电路的QAA更快地解决。

“量子计算中最严峻的挑战之一是执行离散逻辑操作。因为我们的控制信号是模拟和连续的，所以它们总是不完美的。随着我们构建更复杂的量子电路，为AQT硬件量身定制的门的最佳编译的软件基础设施可以帮助我们实现更高的操作保真度，“AQT实验的首席研究员，加州大学伯克利分校的研究生Akel Hashim。

“量子计算的一个独特之处在于它支持部分逻辑门。此功能在传统的布尔逻辑中没有相似之处，例如，您的便携式计算机无法执行 50% 的 AND 门。AQT校准这些部分受控S量子门的能力为我们打开了一扇门，让我们开发更广泛的新颖优化，以充分利用硬件，“Rich Rines说，他以前是 Super.tech，目前是ColdQuanta的软件工程师。

“这个实验的一个关键软件工程挑战是远程协作，所以我们迭代地开发了量子电路优化，这些优化由AQT团队校准的自定义门提供信息。我们通过弄清楚如何在考虑硬件的同时序列化这些脉冲来优化端到端。我们还想出了如何将开源量子软件包与我们的编译器集成，以确保我们的优化不会重新发明轮子，“前 Super.tech 和ColdQuanta软件工程师Victory Omole说。

Akel Hashim，AQT实验的首席研究员。图片来源：Akel Hashim/Berkeley Lab

作为实验的一部分，该团队还引入了一种称为等效电路平均（ECA）的新技术，该技术将SWAP网络的各种参数随机化，以生成许多逻辑等效电路。ECA随机化量子电路的分解，减轻系统相干误差的影响 - 这是量子计算机中最严重的错误之一，也是AQT的错误缓解。

“我提出了一种方法，使用Super.tech的智能编译器将我以前在随机编译中的实验工作与Quantum Benchmark（由是德科技收购）合并，以研究一种减少串扰错误影响的新方法，”哈希姆说。“如果我没有与其他研究人员合作作为AQT用户计划的一部分，我就不会有洞察力提出这个想法。作为将要进入劳动力市场的人，网络对于建立我在该领域认识的人的核心基础至关重要，他们是各个领域的专家，我也可以向他们提出研究想法。

这些实验优化使QAA的性能精度提高了88%。研究人员正在寻求继续探索和完善这项工作中的方法，并将其应用于其他应用。

通过开放获取研究实验室支持行业增长

AQT运营着一个基于超导电路的最先进的开放式实验测试平台，由美国能源部科学高级科学计算研究办公室（ASCR）计划资助。其他地方开发的技术可以在AQT部署和现场测试，无需额外费用即可提供对整个量子计算堆栈的深度访问。

自2020年用户计划启动以来，AQT为 Super.tech（几个行业用户之一）提供了对硬件的低级访问，以测试他们的想法。很少有基于云的量子平台可以免费提供对整个量子计算堆栈的这种类型的完全访问以及硬件专家的实时反馈。Super.tech 与AQT的专家实验团队合作，学习提高此类硬件性能的方法。

“通过揭示量子硬件的内部控制，AQT与用户的协作方法推动了整个量子计算堆栈的创新。我们期待继续与AQT进行研究合作，我们将继续通过发布我们的学习成果与科学界分享这些结果，“ColdQuanta量子软件副总裁，Super.tech 前首席执行官兼联合创始人Pranav Gokhale说。

伯克利实验室的AQT通过汇集专业知识和用户，包括 Super.tech 等早期初创公司，继续发展成为量子信息研究和开发的尖端中心，他们现在继续作为ColdQuanta的一部分进行增长。