错误率持续降低！霍尼韦尔再创8192量子体积世界纪录

光子盒研究院出品

上周，霍尼韦尔旗下量子计算公司Quantinuum总裁兼首席运营官Tony Uttley在科罗拉多州举行的IEEE量子周活动上发表主题演讲《量子计算的测量方法》时，宣布了三项重大成就。

这三个里程碑代表了量子计算生态系统的可操作性加速，它们是：

H系列硬件上新的任意角度门（arbitrary angle gate）功能；
System model H1硬件的新QV记录；
Quantinuum开源的TKET——世界领先的量子软件开发工具包（SDK）的下载量超过50万次。

Quantinuum表示，这些进展是该公司持续展示其在量子计算领域领先地位的最新例证。

“Quantinuum正在加速量子计算对世界的影响，”Uttley说：“我们在硬件和软件方面都取得了重大进展，此外，还建立了一个使用我们的TKET SDK的开发者社区。”

量子体积再破纪录，关键是全新任意角度双量子比特门

最新的8192的量子体积（QV）测量值特别值得注意：这是Quantinuum今年第二次在他们的捕获离子量子计算平台（由霍尼韦尔提供技术支持的System model H1）上公布新的QV记录。

上图显示了Quantinuum测量的量子体积的增长情况。对于每项测试，都列出了输出概率‘h’，并通过标记类型来识别系统；灰色虚线表示目标比例，即每年增加10倍QV。

实现这一最新记录的一个关键是直接实现任意角度的双量子比特门的新能力：对于许多量子电路来说，这种新的双量子比特门允许更有效的电路建设，并导致更高的保真度结果。

Quantinuum公司商业运营总监Brian Neyenhuis博士说：“这种新的能力可以为用户带来一些优势。在许多情况下，这包括缩短与量子比特的互动，从而降低错误率。这使我们的客户能够在运行长时间的计算时减少噪音。”

Neyenhuis说，这些任意角度的门建立在H1的捕获离子架构的整体设计优势之上。

他说：“有了量子电荷耦合器件（QCCD）架构，量子比特之间的相互作用非常简单：可以限制在少量的量子比特上。这意味着我们可以精确控制相互作用，不必担心额外的串扰。”

Quantinuum公司产品管理高级总监Jenni Strabley博士表示，这种新的门设计代表了Quantinuum提高H1效率的第三种方法。

“Quantinuum的目标是加速量子计算。”她说：“我们知道我们必须使硬件更好、必须使算法更智能，我们正在这样做。现在我们也可以通过这种新的门设计在我们的H1上更有效地实现算法。”

提高门电路保真度的巨大胜利

目前，研究人员可以做单量子比特门（在一个单量子比特上的旋转），或完全纠缠的双量子比特门。仅仅通过这些构建模块就可以建立任何量子操作。

有了任意角度的门，进而，科学家可以使用部分纠缠的双量子比特门。

“有许多算法可以每次一小步地演化系统的量子状态。”Neyenhuis说：“以前，如果想在某个小的时间步长中得到一个微小的纠缠，必须一路纠缠，旋转一下，然后几乎一路解除纠缠。现在，我们只需在本机上添加这一小段纠缠，然后进入算法的下一步。”

根据Neyenhuis的说法，还有其他一些算法，这种任意角度的双量子比特门是自然的构建块。使用任意角度的双量子比特门可以将双量子比特门的数量（以及整体错误）减少一半，极大地提高了电路的保真度。研究人员可以使用这种新的门设计来运行更难的问题，这些问题在以前的实验中导致了灾难性的错误，例如，量子傅里叶变换。

Neyenhuis说：“通过采用任意角度的门，除了将双量子比特门的数量减半之外，我们得到的每个门的错误也更低，因为它与该门的振幅成比例。”这一里程碑的平均单量子比特门保真度为99.9959(5)%，完全连接的量子比特的平均双量子比特门保真度为99.71(3)%，而状态制备和测量保真度为99.72(1)%。Quantinuum团队运行了220个电路，每个电路有90个镜头，使用标准的QV优化技术，每个电路平均产生175.2个任意角度的双量子比特门。这是一种强大的新功能，特别是对于含噪声中等规模量子（NISQ）算法。

“这是一种更有效的方式来运行NISQ时代的算法。”Neyenhuis说：“有很多你想运行的不同电路，这种任意角度的门给整个电路的保真度带来了相当大的提高。这种能力还可以通过去除不需要的门来加快电路的执行速度，将最终减少在我们机器上执行工作的时间。”

从事机器学习算法、变异算法和时间演化算法的研究人员将看到这些新门的最大好处。这一进展对于模拟其他量子系统的动态尤为重要。

Neyenhuis说：“这是在保真度的一个巨大胜利。”

量子体积的一个新里程碑

量子体积测试需要运行任意的电路。在量子体积电路的每个“片段”，量子比特被随机配对，并进行复杂的双量子比特操作。这个SU(4)门可以用任意角度的双量子比特门更有效地构建，降低了每一步算法的错误。

上图显示了量子体积8192测试中每个电路的单个重输出概率。蓝线是累积的平均重输出概率，绿色区域是由新方法计算的累积的2σ置信区间。系统模型H1-1成功地通过了量子体积8192基准：在69.33%的时间里输出结果，95%的置信区间下限为68.38%，高于2/3的阈值。

H1-1的量子体积为8192，部分原因是任意角度门的实现和错误率的持续降低。Quantinuum的上一次量子体积增加是在4月份，当时系统模型H1-2的性能翻倍，成为第一台通过量子体积4096的商业量子计算机。这次新的增长是Quantinuum的H系列硬件在两年内第七次创造了测量量子体积的行业记录：因为它继续实现了每年10倍的改进目标。

Quantinuum量子计算机路线图

量子体积是IBM在2019年推出的一个基准，是衡量使用随机电路的量子计算机性能的一种方式，也是整个行业经常使用的指标。

在开发者中建立量子生态系统

Quantinuum还实现了另一个里程碑：TKET的下载量超过50万次。

TKET是一个先进的软件开发工具包，用于在基于门的量子计算机上编写和运行程序。TKET使开发者能够优化他们的量子算法、减少所需的计算资源：这在NISQ时代非常重要。

TKET是开源的，可以通过PyTKET Python软件包访问。该SDK还与主要的量子软件平台集成，包括Qiskit、Cirq和Q#。TKET作为一种开放源码语言已经有将近一年的时间。

这种普遍可用性和TKET在许多量子处理器中的可移植性对于建立一个能够编写量子算法的开发者社区至关重要；下载用户包括许多公司和学术机构。

Quantinuum首席执行官Ilyas Khan说：“虽然我们没有TKET的确切用户数量，但很明显，我们正在朝着全世界一百万人的方向发展。他们利用了一个关键的工具，在多个平台之间进行整合，使这些平台表现得更好。我们继续为TKET帮助量子计算的民主化以及加速创新的方式感到兴奋。”

任意角度的双量子比特门和其他Quantinuum的最新进展都内置于TKET。

“TKET是一个不断发展的平台，并继续利用这些新的硬件能力，”Quantinuum的量子软件主管Ross Duncan博士说：“我们很高兴将这些新的功能交给世界各地迅速增加的TKET用户。”

参考链接：

https://www.quantinuum.com/pressrelease/quantinuum-sets-new-record-with-highest-ever-quantum-volume