近期量子计算的一个主要挑战是可用量子比特的数量有限。假设我们想要运行一个由400个量子位组成的电路，但我们只有100个量子位的设备可用。我们该怎么办？
在过去的一年中，IBM Quantum团队已经开始研究一系列称为“电路编织”的计算方法。电路编织技术允许我们将大型量子电路划分为适合较小设备的子电路，结合经典仿真将结果“编织”在一起以实现目标答案。成本是模拟开销，其数量随着编织门的数量呈指数级增长。
电路编织在未来很长一段时间内都很重要。IBM的量子硬件开发团队专注于通过经典连接较小的处理器，然后通过量子链路连接较小的处理器来扩展。基于这种计划中的硬件架构，在不久的将来，在经典并行量子处理器上运行问题时电路编织会变得很有用。增加可用量子比特数量的技术也将在遥远的未来发挥作用。
图1：电路编织示例：左侧作用于AB的非本地电路可以模拟为仅作用于右侧A或B的本地电路，然后进行经典后处理。
但首先，IBM的研究团队需要了解这些方法可以提供多大的好处，特别是当我们知道模拟开销随着这些子电路之间起作用的门数量呈指数级增长时。
IBM目前正在研究本地量子计算机之间的经典通信是否有助于降低模拟开销——正如您可能会在一对经典并行化的IBM量子“Heron”处理器上看到的那样。具体来说，IBM通过一种以前在误差缓解和经典仿真算法领域引起兴趣的方法实现了电路编织，称为准概率仿真技术。
图2：IBM计划于2023年推出的133量子位“Heron”处理器
IBM考虑三种设置来模拟具有本地操作的非本地电路。首先，两台量子计算机只能在它们的子电路上运行它们自己的本地操作，它们之间没有通信。在第二种情况中，两台计算机可以实现这些本地操作，增加了向一个方向发送经典信息的能力——从A到B，但不能从B到A。第三种情况中，两台量子计算机可以运行它们自己的本地量子操作，并在它们之间向任一方向发送经典信息。
在本地和单向经典通信设置中，不一定需要两台独立的量子计算机。相反，可以在同一设备上按顺序运行两个子电路。然后可以通过经典地存储从A和B发送的比特来模拟单向设置中的经典通信。
图3：考虑运行非本地操作的三个场景的图形概述。LO指本地操作；LO & one way CC指本地操作和one way经典通信；LOCC 指本地操作和经典通信。
相比之下，双向通信设置需要两台量子计算机在两个方向上交换经典信息。对于基于准概率仿真的电路编织，当应用于具有同一非局部栅极的多个实例的电路时，上述三个设置都具有不同的采样开销。
研究成果发表在arXiv，结果表明，双向通信可以显著降低模拟开销。对于包含连接每个子电路的n个CNOT门的电路，子电路之间集成经典信息交换可减少 到 — 在实践中是实质性的减少。它允许我们为给定的固定仿真开销削减更多的CNOT门 ， 即纠缠量子位的门。
在技术层面上，IBM的结果基于这样一种见解，即同时在本地准备两个最大纠缠态（称为Bell pairs）比在本地准备单个Bell pair两次效率更高。原因是，对于联合准备，可以利用局部子系统之间的纠缠，如果分别准备两个Bell pairs，这是不可能的。使用门隐形传态的思想，IBM的研究人员可以在本地操作和经典通信下将贝尔对转换为CNOT门。
图4：如何通过门传送在LOCC设置中实现两个CNOT门的图形说明。通过同时生成两个Bell pairs（而不是生成两次单个Bell pairs），可以减少总的模拟开销。
IBM研究团队的结果表明，当执行超过每个量子设备单独拥有的量子位数的大型计算时，本地分离的量子计算机之间的经典通信是有益的。
按照IBM最新的路线图，这些结果可能有助于减少未来架构中的仿真开销，因为它激励了单个量子芯片与经典通信链路的连接。
原文链接：https://research.ibm.com/blog/circuit-knitting-with-classical-communication
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