劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab)的高级量子测试平台 ( AQT) 和总部位于芝加哥的 Super.tech的研究合作伙伴展示了如何优化 ZZ SWAP 网络协议的执行，这对量子计算很重要。该团队还引入了一种新的量子错误缓解技术，将改善网络协议在量子处理器中的实现。这一研究结果为近期使用基于栅极的量子计算实现量子算法增加了更多途径。

超导量子硬件的智能编译器

具有2D或3D架构的量子处理器具有有限的量子位连接性，其中每个量子位仅与有限数量的其他量子位交互。此外，每个量子比特的信息只能在噪声和错误导致退相干之前存在很长时间，从而限制了量子算法的运行时间和保真度。因此，在设计和执行量子电路时，研究人员必须根据给定量子处理器中可用的本机硬件门优化由抽象（逻辑）门组成的电路到物理指令的转换。有效的电路分解可以最大限度地减少操作时间，因为它们考虑了硬件本机支持的门数和操作来执行所需的逻辑操作。

SWAP门——在量子比特之间交换信息——通常被引入量子电路中，以促进非相邻量子比特中信息之间的相互作用。如果量子设备只允许相邻量子位之间的门，则交换用于将信息从一个量子位移动到另一个不相邻的量子位。

在嘈杂的中等规模量子 (NISQ) 硬件中，引入交换门可能需要大量的实验开销。交换门通常必须分解为本地门，例如受控非门。因此，在设计量子比特连接受限的量子电路时，重要的是使用可以搜索、分解和取消冗余量子门的智能编译器，以提高量子算法或应用程序的运行时间。

研究团队使用了 Super.tech 的 SuperstaQ 软件，使科学家能够精细地定制他们的应用程序并自动编译 AQT 超导硬件的电路，特别是对于大多数硬件系统不具备的原生高保真受控 S 门。这种具有四个传输量子比特的智能编译方法允许 SWAP 网络比标准分解方法更有效地分解。

图：AQT 门的软件优化 SWAP 网络综合示意图

ZZ SWAP 门网络只需要量子比特之间的最小线性连接，无需额外的耦合，因此它为高效执行量子算法（如量子近似优化算法 (QAOA)）提供了实际优势。QAOA 近似于组合优化问题的解决方案——通过给出一组标准来找到最佳答案。可用于在运输网格系统上布置枢纽的最大切割问题是著名的组合优化问题的一个示例，该问题可以通过使用量子电路的 QAOA 更快地解决。

图：四个量子位上 QAOA 的 SWAP 网络示意图

“量子计算中最严峻的挑战之一是执行离散逻辑运算。因为我们的控制信号是模拟的和连续的，它们总是不完美的。随着我们构建更复杂的量子电路，优化编译为 AQT 硬件量身定制的门的软件基础设施帮助我们实现更高的操作保真度，”该实验的首席AQT研究员、加州大学伯克利分校的研究生Akel Hashim说。

“量子计算的一个独特之处在于它启用了部分逻辑门。此功能在传统布尔逻辑中是没有的——例如，您的笔记本电脑无法执行 50% 的 AND 门。AQT 校准这些部分控制的能力-S 量子门为我们开发更广泛的新颖优化打开了大门，以充分利用硬件，”曾在Super工作的Rich Rines说，他目前是ColdQuanta的软件工程师。

“该实验的一个关键软件工程挑战是远程协作，因此我们迭代开发了由 AQT 团队校准的定制门通知的量子电路优化。我们通过在考虑硬件的同时弄清楚如何序列化这些脉冲来优化端到端。我们还想出了如何将开源量子软件包与我们的编译器集成，确保我们的优化不会重新发明轮子，”前 Super.tech 和 ColdQuanta 软件工程师的 Victory Omole 说。

作为实验的一部分，该团队还引入了一种称为等效电路平均 (ECA) 的新技术，该技术将 SWAP 网络的各种参数随机化以生成许多逻辑等效电路。ECA 将量子电路的分解随机化，减轻系统相干误差的影响——这是量子计算机中最严重的错误之一，并在 AQT 进行了广泛研究。

Hashim 说：“我提出了一种方法，将我之前在随机编译中的实验工作与使用 Super.tech 的智能编译器的 Quantum Benchmark合并，以研究一种减少串扰错误影响的新方法，”“如果我没有与其他研究人员合作，作为AQT用户项目的一部分，我就不会有这个想法。作为一个即将进入职场的人，人脉对于建立一个我认识的各个领域的专家的核心基础至关重要，我也可以向他们提出研究想法。”

这些实验优化使 QAOA 的性能准确度提高了 88%。研究人员希望继续探索和改进这项工作中的方法，并将其应用于其他应用。

通过开放访问研究实验室支持行业增长

AQT运营着一个基于超导电路的最先进的开放式实验测试平台，由美国能源部科学高级科学计算研究办公室（ASCR）项目资助。其他地方开发的技术可以在 AQT 进行部署和现场测试，无需额外成本即可深入访问完整的量子计算堆栈。

自 2020 年启动其用户计划以来，AQT 为 Super.tech（几个行业用户之一）提供了对硬件的低级访问权限，以测试他们的想法。很少有基于云的量子平台可以免费提供对整个量子计算堆栈的完全访问和硬件专家的实时反馈。Super.tech 与 AQT 的专家实验团队合作，学习提高此类硬件性能的方法。

“通过揭示量子硬件的内部控制，AQT 与用户的协作方法推动了整个量子计算堆栈的创新。我们期待继续与 AQT 的研究合作，我们将继续通过发表我们的学习成果与科学界分享这些结果，”ColdQuanta 量子软件副总裁兼 Super.tech 前首席执行官兼联合创始人 Pranav Gokhale 说。

伯克利实验室的AQT通过汇集专业知识和用户，包括 Super.tech 等早期初创公司，继续发展成为量子信息研究和开发的前沿中心，他们现在继续作为ColdQuanta的一部分进行发展。

原文链接：https://crd.lbl.gov/news-and-publications/news/2022/optimizing-swap-networks-quantum-computing

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