知道何时展开’Em：高能物理方法在量子计算中的应用

车轮形μ子探测器是CERN ATLAS粒子探测器升级的一部分。一项新的研究将用于粒子检测器的“展开”或纠错技术应用于量子计算中的噪声问题。

用于提高粒子检测器数据准确性的“展开”技术还可以提高从量子计算机读取量子态的能力。

借用高能物理和天文学教科书的一页内容，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的一组物理学家和计算机科学家成功地将通用的减少错误的技术应用于量子计算领域并将其应用于量子计算领域。

在亚原子粒子和巨型粒子探测器，遥远的星系和巨型望远镜的世界中，科学家们学会了不确定地生活和工作。他们经常试图从大量其他粒子相互作用和背景“噪声”的纠缠中找出超稀有的粒子相互作用，这可能会使他们的狩猎更加复杂，或者试图滤除大气畸变和星际尘埃的影响以提高天文分辨率成像。

另外，探测器固有的问题，例如记录所有粒子相互作用或精确测量粒子能量的能力，可能导致数据被与其连接的电子设备误读，因此科学家需要设计形式复杂的滤波器计算机算法，以减少误差范围并返回最准确的结果。

噪声和物理缺陷的问题，以及减少错误发生频率和严重程度的纠错和缓解错误算法的需求，在量子计算的新兴领域也很常见，这项研究发表在《量子量子期刊》上。信息发现，似乎也有一些通用的解决方案。

本·纳赫曼（Ben Nachman）是伯克利实验室的物理学家，曾作为伯克利实验室的ATLAS小组成员参加了CERN的粒子物理学实验，他在与伯克利实验室理论物理学家克里斯蒂安·鲍尔（Christian Bauer）合作进行粒子物理学计算时，看到了量子计算的联系。该研究的合著者。ATLAS是CERN的大型强子对撞机（世界上最大，最强大的粒子对撞机）的四台巨型粒子探测器之一。

该研究的主要作者纳赫曼说：“在ATLAS，我们经常必须'展开'或校正探测器的影响。”“人们多年来一直在开发这种技术。”

在大型强子对撞机的实验中，称为质子的粒子以每秒约10亿次的速度碰撞。为了应对这种令人难以置信的繁忙，“嘈杂”的环境以及与能量分辨率和与检测器相关的其他因素相关的内在问题，物理学家使用纠错“展开”技术和其他过滤器将这种粒子混杂物降到最有用，最准确的程度。数据。

纳赫曼说：“我们意识到当前的量子计算机也非常嘈杂，”因此，找到一种减少噪声并最小化错误（减轻错误）的方法，是推进量子计算的关键。他指出：“一种错误与您的实际操作有关，而一种错误与读取量子计算机的状态有关。” –第一种错误称为门错误，第二种错误称为读出错误。

这些图表显示了与粒子散射相关的高能物理测量结果（称为微分截面测量结果，左图）与量子计算机输出的重复测量结果（右图）之间的联系。这些相似之处提供了将相似的错误缓解技术应用于来自两个字段的数据的机会。

最新研究集中在一种减少读数错误的技术上，该技术被高能物理学界所熟悉，称为“迭代贝叶斯展开”（IBU）。该研究将这种方法与其他纠错和缓解技术的有效性进行了比较。IBU方法基于贝叶斯定理，当存在与该事件相关的其他条件时，该方法提供了一种数学方法来查找事件发生的可能性。

Nachman指出，该技术可以应用于经典计算机的量子模拟，这种计算机被称为基于通用门的量子计算机。

在依靠量子位或量子位来承载信息的量子计算中，称为量子叠加的脆弱状态难以维护，并且会随着时间的流逝而衰减，从而导致量子位显示为零而不是一个-这是常见的读取错误的示例。

叠加提供了一个量子位可以同时表示一个零，一个或两个量。这使得传统计算无法实现独特的计算功能，而传统计算依赖于表示一个或零但不是一次全部表示的位。量子计算机中读出错误的另一个来源仅仅是由于计算机的体系结构导致对量子位状态的错误测量。

在这项研究中，研究人员模拟了一台量子计算机，以比较三种不同的纠错（或缓解或展开错误）技术的性能。他们发现，在非常嘈杂，容易出错的环境中，IBU方法更为健壮，在存在更常见的噪声模式的情况下，IBU方法的性能略优于其他两种方法。它的性能与一种称为Ignis的纠错方法（一种为IBM量子计算机开发的开源量子计算软件开发工具集合）的一部分进行了比较，并且这种展开的最基本形式被称为矩阵求逆方法。

研究人员使用模拟的量子计算环境产生了1,000多个伪实验，他们发现IBU方法的结果最接近于预测。用于此分析的噪声模型是在称为IBM Q Johannesburg的20比特量子计算机上测量的。

纳赫曼说：“我们从高能物理学中采用了一种非常通用的技术，并将其应用于量子计算，而且效果确实很好–应当如此。”学习曲线很陡。“我必须学习有关量子计算的各种知识，以确保我知道如何进行翻译并将其实现在量子计算机上。”

他说，他非常幸运能在伯克利实验室找到具有量子计算专业知识的研究合作者，包括Bert de Jong，他领导了DOE高级科学计算研究量子算法团队的办公室以及伯克利的量子计算加速研究项目。实验室的计算研究部。

de Jong表示：“看到高能物理学界如何利用大量知识来充分利用嘈杂的实验，可以将其用于利用大量嘈杂的量子计算机，这真是令人兴奋。”

纳赫曼说，研究中使用的模拟和真实量子计算机的范围从5个量子位到20个量子位，该技术应可扩展到更大的系统。但是随着量子计算机规模的增加，研究人员测试的纠错和缓解错误的技术将需要更多的计算资源，因此纳赫曼说，该团队致力于研究如何使具有更大量子位阵列的量子计算机更易于管理的方法。

Nachman，Bauer和de Jong也参与了较早的研究，该研究提出了一种减少门误差的方法，该方法是量子计算误差的另一个主要来源。他们认为，量子计算中的错误校正和错误缓解最终可能需要使用多种技术的混合搭配方法。

纳赫曼说：“这是令人兴奋的时刻，因为量子计算领域还很年轻，并且有很大的创新空间。“人们至少已经了解到有关这些类型的方法的信息，并且仍有进步的空间。”他指出，量子计算为“推动人们以新的方式思考问题提供了动力”，并补充说，“它已经打开了新的科学潜力。”

参考：本杰明·纳赫曼（Benjamin Nachman），米罗斯拉夫·厄本奈克（Miroslav Urbanek），韦伯·德·琼（Wibe A. de Jong）和克里斯蒂安·鲍尔（Christian W.Bauer）的“正在展现的量子计算机读出噪声”，2020年9月25日，npj Quantum Information.DOI：
10.1038 / s41534-020-00309-7

橡树岭国家实验室的DOE科学办公室用户机构“橡树岭领导力计算设施”为研究人员提供了访问IBM量子计算资源的渠道，其中包括IBM Quantum Experience和Q Hub Network。

伯克利实验室计算研究部门的Miroslav Urbanek也参加了这项研究，这项研究得到了美国能源部科学办公室和阿斯彭物理中心的支持。