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研究背景

量子計算是利用量子力學原理進行信息處理的技術，因其在解決某些計算問題上具有傳統計算機無法比擬的潛力，成為了研究熱點。然而，量子處理器的實際應用受到環境噪聲的嚴重影響，這種噪聲破壞了量子比特之間的相干性，導致長程關聯的喪失，限制了可用的計算空間，成為量子計算發展的重大挑戰。

成果簡介

有鑒于此，Google的研究科學家Kostyantyn Kechedzhi團隊在Nature期刊上發表了題為“Phase transitions in random circuit sampling”的最新論文。研究人員致力于探索隨機電路采樣（RCS）作為超越經典計算的有效手段。RCS能夠通過優化電路結構，最大化量子關聯，從而提升計算復雜性。最近的實驗表明，通過交叉熵基準測試（XEB），可以揭示出系統中不同相的存在，并識別噪聲與量子動態之間的關系。這些實驗展示了量子系統在特定條件下能經歷動態相變和量子相變，前者表現為輸出分布的反濃縮現象，后者則由每個循環的誤差控制。

研究結果顯示，在低噪聲相位中，量子處理器能夠實現經典計算機無法達到的復雜計算。例如，在67個量子比特和32個循環的隨機電路采樣實驗中，所需的計算成本超出了現有經典超級計算機的能力。這些發現不僅為量子計算的理論基礎提供了支持，也為量子處理器在面對噪聲挑戰時的可用性提供了新的視角，推動了量子計算的進一步發展。

研究亮點

1. 實驗首次實現了基于交叉熵基準測試的隨機電路采樣，得到了量子處理器在噪聲環境下的相變特征。通過此實驗，我們觀察到了兩個相變，分別是與循環次數相關的動態相變和受每個循環誤差控制的量子相變。

2. 實驗通過在二維超導量子比特網格上進行隨機電路采樣，揭示了量子動態與噪聲之間的相互作用如何驅動系統進入不同的相。研究表明，達到最大復雜性的理想相需要每個循環的噪聲率低于一個關鍵閾值，這一閾值與量子關聯的增長速率密切相關。

3. 在交叉熵基準測試中，研究團隊展示了反濃縮現象，證明了輸出分布不再集中在少數比特字符串中，從而表明系統經歷了動態相變。這一發現為理解量子系統在噪聲影響下的行為提供了新的視角。

4. 本研究還通過構建弱連接模型，分析了噪聲強度與相干演化之間的關系，進一步驗證了實驗結果。最后，通過在32個循環中展示67個量子比特的實驗，研究團隊證明了其計算成本超出了現有經典超級計算機的能力，從而為實現經典不可解計算提供了有力證據。

圖文解讀

圖 1：隨機電路采樣中的相變。

圖 2：線性交叉熵中的相變。

圖 3：噪聲引起的相變。

圖 4：經典不可解計算的演示。

結論展望

本文通過對67量子比特的Sycamore芯片進行的隨機電路采樣（RCS）實驗，揭示了量子動態與噪聲之間的復雜相互作用。這一發現不僅提高了對量子系統中噪聲影響的理解，還為量子計算設備的設計與優化提供了新的思路。在弱噪聲相位中，全球關聯主導的擴展熵比（XEB）結果顯示了量子計算的潛在優勢，特別是在抵御“欺騙”攻擊方面。這表明，量子計算不僅能夠實現高效的計算，還能在安全性方面超越經典計算。

此外，通過對張量網絡收縮方法的改進，本文顯著降低了隨機電路的經典模擬成本，強調了在量子計算中有效利用資源的重要性。這一進展為未來的量子計算機設計和算法開發提供了寶貴的經驗與啟示。總體而言，本文的研究成果為推動量子計算技術的應用與發展奠定了基礎，同時激發了研究者對如何利用量子特性實現更高效、更安全的計算方法的進一步探索。

文獻信息

Morvan, A., Villalonga, B., Mi, X. et al. Phase transitions in random circuit sampling. Nature 634, 328–333 (2024).

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