量子逻辑门是量子电路的基本组成部分之一；它们使我们能够操纵量子比特并执行量子计算。在超导量子计算中，我们通过用精心设计的微波能量脉冲来激发我们的量子比特来实现量子门。但是，如果我们想要准确、高质量的门，我们需要仔细定制和校准这些脉冲以匹配单个量子系统。
在《应用物理评论》上发表的一篇论文中，研究人员详细介绍了一种用于改进量子门校准和表征的新技术。这两个过程在保持量子计算的准确性和保真度方面发挥着重要作用。然而，量子计算机必须经常执行这些门维护任务，通常是在正常的量子工作之间。这会占用宝贵的处理器时间，而这些时间本来可以用于真正的量子应用。IBM Quantum 研究人员表示，他们的新方法可以减少量子计算机必须花费在量子门校准和表征任务上的时间。
高质量量子门的校准和表征
量子门校准和表征任务在量子计算中非常重要，因为量子硬件会随着时间的推移而“漂移”，经历可能会影响量子门准确性的微小物理变化。为了进行弥补，我们运行校准和表征实验，告诉我们需要如何调整门脉冲参数（校准任务），并允许我们测量这些校准的有效性（表征任务）。
我们通过应用旨在放大各种门错误的脉冲序列来确定我们需要进行的特定校准，从而更容易看到问题发生在哪里。量子硬件工程师使用这些实验的结果来确定哪些脉冲参数需要校准，以及需要校准的程度。
一旦完成，我们可以通过测量新校准的量子门的质量和保真度来确定我们的表现如何。为了执行这些测量，我们使用了随机基准测试和量子过程断层扫描等量子门表征技术。这些表征技术类似于门校准方法，因为它们涉及在量子硬件上运行耗时的实验。
表征和校准算法的瓶颈
传统的表征和校准算法与大多数其他量子算法一样。他们首先初始化一些量子位，然后他们在量子电路中的这些量子位上运行一系列门，测量结果，再次初始化量子位，然后从那里继续迭代。
然而，正如该研究团队报告的那样，该程序的“初始化”部分可能并不总是必要的。
有很多方法可以初始化一个量子比特。如果您曾经为了热门的主题公园骑行或在忙碌的一天在当地超市排队数小时，那么您已经熟悉了一种方法，一种称为“等待”的复杂技术。量子比特只能在很短的时间内保持量子态——只有几分之一秒——之后它们会衰减到它们的基态（或“0”）。这是量子比特的“T1”时间，或“量子比特的寿命”。要在运行电路后重新初始化量子比特，只需等待 T1 时间的 5 倍到 10 倍之间的某个位置即可。一旦这段时间过去，量子比特将衰减到它们的基态，并准备好执行下一个电路。
这种“被动”复位适用于 T1 时间较短的量子系统。然而，今天的量子计算机的 T1 时间比之前的要长得多，这使得被动复位非常低效。
研究人员最终开发了一种称为“主动”重置的替代技术，在这种技术中，我们不是等待量子位返回其基态，而是执行一些主动操作以迫使量子位回到基态。有几种不同的方法可以执行该重置操作，但都需要不可忽略的时间来实现。主动复位技术也不总是完美的。在许多情况下，工程师必须在运行下一个电路之前建立额外的延迟，以确保系统真正达到基态。
该延迟比被动复位的等待时间短——在 IBM Quantum 系统上，主动复位可能只需要一个 T1 的时间，而被动复位则需要 5-10 倍。研究团队能够进一步加快速度。
量子比特没有休息
在量子物理学中，我们经常说测量一个量子态会破坏它的信息，但这是一种简化。例如，当我们用经过良好调整的测量脉冲测量超导量子比特时，我们并没有破坏它的所有信息。相反，测量将量子比特“投射”到 0 或 1 状态。如果我们运行一个量子电路，测量结果，发现我们所有的量子位都处于 0 状态，理论上我们可以跳过重置过程并立即运行我们的下一个量子电路，因为所有的量子位都已经处于基态。
我们只执行重置，因为大多数量子电路至少输出一些处于 1 状态的量子位，并且我们通常希望在开始下一个电路之前将它们翻转到 0 状态。然而，事实证明，有一大类电路不需要这种复位。
IBM Quantum 团队发现，如果他们跳过量子位重置过程，并以一些处于 0 状态和一些处于 1 状态的量子比特开始下一个电路，他们可以使用经典的后处理来重新标记 1 状态的量子比特并轻松获得如果这些量子比特从基态开始，它们就会输出结果。研究人员将此称为“不安定的测量”，因为量子位可以在电路之间执行一个又一个电路，而不会在它们之间进行重置。
让我们看看它是如何工作的：
在具有两个电路和四个镜头的单量子位作业中对不安定的测量数据进行后处理的图示。
上图中的“a”段描绘了一个单量子位作业，其中包含两个重复四次的电路。第一个电路仅包含一个 X 门，而第二个电路仅包含一个 Hadamard 门。每个门右侧出现的灰色框代表我们在电路完成后进行的测量。
对于电路的第一次“射击”或迭代，量子比特从接地 0 状态开始。然后我们可以在系统内存中看到第一个电路输出 1，第二个电路输出 0。之后，量子位保持在基态，我们再次运行电路而不重置量子位。
在下一次运行中，我们可以看到第二个电路输出 1 状态。再一次，因为我们使用的是不安定测量方案，我们只需在不重置量子位的情况下开始电路的第三次拍摄，并记录结果。一旦完成所有四个镜头，我们就开始经典的后期处理，我们可以在“b”部分看到详细信息。
我们的初始输出是我们的电路产生的输出的时间顺序列表，这不是很有用，因为我们的一些电路执行不是从基态开始的。为了弄清楚如果每个镜头都从基态开始，输出会是什么样子，我们查看时间排序列表中的每个项目，将每个镜头与之前的值进行比较，并对它们执行“异或”运算。
可视化比较执行 (a) 被动复位、(b) 主动复位和 （c）不安定测量初始化方案所需的时间。时间轴不能缩放。
这只是一种简洁的说法：“如果量子比特的状态没有改变，则将其计为 0。如果量子比特的状态发生了变化，则将其计为 1。” 经典计算机可以非常快速地执行这种逻辑运算，当然，经典 CPU 上的处理时间比量子处理器上的计算成本要低得多。
量化“不安”的加速
使用“不安定测量”的数据采集速度可能比使用主动或被动复位（包括任何相关延迟）进行的测量快几十倍，但它们为常见校准和表征任务提供的实际速度要适中。
这是因为电路执行只是我们为量子门校准和表征而运行的工作的一小部分。我们还花费大量时间使用经典计算机来准备电路并将其数据传输到将为量子处理器生成脉冲的控制电子设备。
该团队指出，未来在电路准备和数据传输方面的改进可能会产生额外的加速。这也与增加量子处理单元在给定时间单位内可以执行的量子电路数量的目标相关，这一指标被称为每秒电路层操作 (CLOPS)。
尽管如此，研究人员在量子处理单元上发现的实际加速效果还是很显着的。研究小组发现，不安定测量使两个量子位上的随机基准量子门表征的 QPU 时间提高了 5.3 倍，而在单量子位量子过程断层扫描表征的 QPU 时间中，不安定测量的速度提高了 38.7 倍. 他们还发现校准任务的速度提高了 38.3 倍。加速差异很大，具体取决于研究人员正在进行的实验的具体情况，以及与这些实验进行比较的主动重置方案。
该团队表示，量子硬件工程师至少可以开始使用他们今天论文中展示的一些技术。工程师可以轻松地开始运行随机基准测试和单量子比特校准，例如，使用新论文中概述的方法。同时，他们还指出，尽管不安定测量技术在特定情况下可能有用，但诸如不安定测量之类的技术对于大型量子电路不会普遍适用。
从长远来看，IBM Quantum 团队希望在这一领域的持续研究将产生一种新的量子门校准和表征方法，从而显着提高量子硬件在现实世界量子应用中的可用性。
---煤油灯科技victorlamp.com翻译整理---
