当前的量子硬件存在噪声，只能短暂存储信息，并且量子比特的数量有限，通常以平面连接性结构排列。然而，许多量子计算应用所需连接性要高于平面晶格，这是因为所需量子比特数超过了单个量子处理单元（QPU）所能提供的。科学界希望通过使用经典通信连接量子处理单元来解决这些限制，但这一点尚未在实验中得到证明。
11月20日，IBM Quantum与苏黎世联邦理工学院的研究人员合作，在《Nature》上发表题为“Combining quantum processors with real-time classical communication”（使用经典通信组合量子处理器）的研究论文。Almudena Carrera Vazquez为论文第一作者，Daniel J. Egger为论文通讯作者。
在本文中，研究人员成功在实验中实现了错误缓解的动态线路和线路切割，以创建需要周期性连接性的量子态，这些量子态使用的量子比特多达142个，横跨两个各含有127个量子比特的QPU，并且这两个QPU通过经典链路实时连接。在动态线路中，量子门可以通过线路中间测量的结果在运行时（即量子比特相干时间的一小部分）内被经典控制。实时经典链路使得能够在一个QPU上施加量子门，这个门的操作是基于另一个QPU上测量结果的条件。此外，错误缓解的控制流增强了量子比特的连接性，扩展了硬件的指令集，从而提高了量子计算机的多功能性。研究结果展示了可以使用多个量子处理器作为一个整体，这是通过实时经典链路实现的误差缓解动态线路实现的。
研究背景
量子计算机通过幺正运算处理编码量子比特中的信息。但是，量子计算机存在噪声，多数大规模体系结构将物理量子比特排列在平面晶格中。尽管如此，当前具有错误缓解功能的处理器已经可以模拟具有127个量子比特的硬件原生Ising模型，并且能够在经典计算机难以使用蛮力方法进行求解的规模下测量可观测量。量子计算机的实用性取决于是否能够进一步扩展并克服其有限的量子比特连接性。模块化方法对于扩展当前的含噪量子处理器以及实现容错所需的大量物理量子比特至关重要。离子阱和中性原子架构可以通过物理传输量子比特实现模块化。短期内，超导量子比特的模块化通过连接相邻芯片的短程互连实现。
在中期内，可通过微波对长程门施加操作来实现非平面量子比特连接，这将使非平面量子比特连接适合于高效纠错。对于长期而言，另一种选择是利用微波到光转导将远程QPU与光链路纠缠在一起，但目前尚未被演示。此外，动态线路通过执行中间线路测量（MCM）和在量子比特的相干时间内经典控制门来扩展量子计算机的操作集。它们增强了算法品质和量子比特连接性。正如本文将展示的，动态线路也通过实时经典链路实现QPU之间的模块化。
本研究采取一种基于虚拟门的互补法，在模块化架构中实现长程相互作用。在任意位置连接量子比特，并通过准概率分解（QPD）创建纠缠的统计数据。比较了仅使用本地操作（LO）的方案和通过经典通信增强的本地操作和经典通信（LOCC）方案。对于双量子比特情形，演示的LO方案需要执行多个仅包含本地操作的量子线路。相比之下，实现LOCC需要在远程量子比特之间消耗虚拟贝尔对来创建双量子比特门。在量子硬件上，创建贝尔对需要长程受控非门（CNOT）操作。为了回避这些门，研究人员对本地操作使用QPD，导致贝尔对在量子隐形传态中被消耗。LO不需要经典链路，因而比LOCC更简单。然而，由于LOCC只需要一个参数化模板线路，它比LO更易于编译，且其QPD的成本低于LO方案。
研究方法
利用动态线路通过执行中间线路测量（MCM）和在量子比特的相干时间内经典控制门来扩展量子计算机的操作集。这种方法增强了算法质量和量子比特连接性，并通过实时经典链接实现QPU之间的模块化。
运用基于虚拟门的方法来实现模块化架构中的长程相互作用。通过准概率分解（QPD），在任意位置连接量子比特，并创建纠缠的统计数据。研究比较了仅使用本地操作（LO）的方案和通过经典通信增强的本地操作和经典通信（LOCC）方案。
实施了线路切割技术，将复杂线路分解为可单独执行的子线路，并通过增加的线路数量（采样开销）来重新组合结果。为了抑制和缓解动态线路中经典控制硬件延迟引起的错误，采用了动态解耦与零噪声外推组合的方法。
展示了两个独立QPU之间的实时经典连接，证明了通过经典链接可以操作分布式QPU系统作为一个整体。结合动态线路，能够将两个芯片作为单个量子计算机进行操作。
研究成果
研究做出了四项关键贡献。首先，提出了量子线路和QPD来创建多个被切断的贝尔对，进而实现虚拟门。其次，通过动态解耦和零噪声外推，抑制并缓解了动态线路中经典控制硬件延迟引起的错误。第三，利用这些方法在103节点的图态上将周期性边界条件工程化。最后，展示了两个独立QPU之间的实时经典连接，证明了通过经典链路可以操作作为一个系统的分布式QPU系统。结合动态线路，能够将两个芯片作为单个量子计算机进行操作，通过在142个量子比特上工程一个跨越两个设备的周期图态来示例这一点。研究还讨论了创建长程门的前进路径，并提供了结论。
主要研究人员
Daniel J. Egger，IBM研究院苏黎世分院量子应用研究与软件小组的研究员。研究方向为超导线路的量子信息处理、量子系统的脉冲级控制和量子算法。
参考链接
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08178-2
[2]https://research.ibm.com/people/daniel-egger