研究人员成功地开发了一种利用概率方法快速搜索量子计算机最佳量子门序列的技术。
为了让量子计算机执行一项任务，它必须使用编译器将用编程语言编写的指令转换为量子比特(简称量子位)上的一系列门操作。他们之前将最优控制理论(GRAPE算法)应用于穷举搜索，以开发一种方法来确定理论上最优的门序列，但随着量子比特数量的增加，可能的组合数量也会增加。
随着数字的爆炸式增长，彻底的搜索变得不可能。例如，如果我们要执行穷举搜索，以找到生成任意6个量子比特的量子态的最佳门序列，那么使用目前最快的经典计算机所需的时间将比宇宙的年龄还要长。
因此，研究人员尝试开发一种利用概率方法寻找最佳量子门序列的方法，并取得了成功。利用超级计算机Fugaku，证实并证明了使用一种新的概率随机搜索方法，可以在几个小时内搜索到上述问题的最优量子门序列。
这种新方法有望加快量子计算机编译器的速度，成为实用量子计算机的有用工具，并提高量子计算机设备的性能。它还可以应用于优化量子中继节点的量子信息处理，因此有望为实现量子互联网和减少环境影响做出贡献。
这一结果发表在2024年5月6日的《物理评论A》杂志上。
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减少能源消耗来减轻环境负担，为医疗用途寻找新的化学物质，加速寻找更清洁的环境材料等。量子计算机面临的一大问题是量子态对噪声非常敏感，因此很难长期稳定地保持(保持相干量子态)。
为了获得最佳性能，操作必须在允许量子态保持相干的时间内进行。然而，除了量子比特数量非常小的特殊情况外，目前还没有找到最佳量子门序列的好方法。
即使在大规模量子计算中，也可以避免可能的门序列数量爆炸性增加的困难，并允许在经典计算机上可以执行的时间和计算资源内进行有效搜索的解决方案正在等待。
研究组引入了概率方法，开发了在执行时间和计算资源内有效搜索最佳量子门序列的系统方法。
当计算机存储和处理信息时，所有信息都被转换为值为0或1的位串。量子门序列是用人类可读的语言编写的计算机程序，经过转换后可以由量子计算机进行处理。量子门序列由1量子位门和2量子位门组成。最佳序列是门数最少、性能最好的序列。
他们的研究显示了使用最优控制理论算法GRAPE在最快的经典计算机上对每个门排列进行搜索以优化保真度F时的估计计算时间，以准备n个量子位态。蓝色实线代表宇宙的年龄(137亿年)。随着量子比特数量的增加，可能的组合数量会爆炸式地增加，因此在n=6时，总计算时间超过了宇宙的年龄。
对小量子比特数的所有可能序列进行分析，发现存在许多最优量子门序列。这表明可以扩展到大量子任务，并使用概率搜索方法而不是穷举搜索方法找到最佳量子门序列。
他们还展示了在制备n=8个量子比特的状态时，保真度F=1的序列的出现率(p)，这是用超级计算机Fugaku研究的。速率p表示为序列中2量子位CNOT门数(N)的函数。显然，概率方法是非常有效的，因为当超过N的下限(N=124)时，F=1的发生率迅速增加。
例如，在N=129处F=1的出现率(略高于N=124)超过50%，因此，如果您搜索两次门排列，您将找到一个平均至少有一次F=1的量子序列。通过这种方式，我们发现，使用概率方法搜索最优量子门序列的速度可能比使用穷举搜索方法搜索快几个数量级。
所开发的系统概率方法为量子计算机提供了最优量子门序列，有望成为实用量子计算机和加速量子计算机编译器的有用工具。预计将提高量子计算设备的性能，并有助于量子互联网中量子节点的发展和减轻环境负担。
未来，研究团队将把本研究获得的结果与机器学习方法相结合，并将其应用于优化量子计算机的性能，旨在进一步加快量子编译器的速度，并创建最优量子门序列数据库。
研究团队包括国立信息通信技术研究所、日本理化研究所、东京理科大学和东京大学。
