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研究背景
量子计算是利用量子力学原理进行信息处理的技术，因其在解决某些计算问题上具有传统计算机无法比拟的潜力，成为了研究热点。然而，量子处理器的实际应用受到环境噪声的严重影响，这种噪声破坏了量子比特之间的相干性，导致长程关联的丧失，限制了可用的计算空间，成为量子计算发展的重大挑战。
成果简介
有鉴于此，Google的研究科学家Kostyantyn Kechedzhi团队在Nature期刊上发表了题为“Phase transitions in random circuit sampling”的最新论文。研究人员致力于探索随机电路采样（RCS）作为超越经典计算的有效手段。RCS能够通过优化电路结构，最大化量子关联，从而提升计算复杂性。最近的实验表明，通过交叉熵基准测试（XEB），可以揭示出系统中不同相的存在，并识别噪声与量子动态之间的关系。这些实验展示了量子系统在特定条件下能经历动态相变和量子相变，前者表现为输出分布的反浓缩现象，后者则由每个循环的误差控制。
研究结果显示，在低噪声相位中，量子处理器能够实现经典计算机无法达到的复杂计算。例如，在67个量子比特和32个循环的随机电路采样实验中，所需的计算成本超出了现有经典超级计算机的能力。这些发现不仅为量子计算的理论基础提供了支持，也为量子处理器在面对噪声挑战时的可用性提供了新的视角，推动了量子计算的进一步发展。
研究亮点
1. 实验首次实现了基于交叉熵基准测试的随机电路采样，得到了量子处理器在噪声环境下的相变特征。通过此实验，我们观察到了两个相变，分别是与循环次数相关的动态相变和受每个循环误差控制的量子相变。
2. 实验通过在二维超导量子比特网格上进行随机电路采样，揭示了量子动态与噪声之间的相互作用如何驱动系统进入不同的相。研究表明，达到最大复杂性的理想相需要每个循环的噪声率低于一个关键阈值，这一阈值与量子关联的增长速率密切相关。
3. 在交叉熵基准测试中，研究团队展示了反浓缩现象，证明了输出分布不再集中在少数比特字符串中，从而表明系统经历了动态相变。这一发现为理解量子系统在噪声影响下的行为提供了新的视角。
4. 本研究还通过构建弱连接模型，分析了噪声强度与相干演化之间的关系，进一步验证了实验结果。最后，通过在32个循环中展示67个量子比特的实验，研究团队证明了其计算成本超出了现有经典超级计算机的能力，从而为实现经典不可解计算提供了有力证据。
图文解读
结论展望
本文通过对67量子比特的Sycamore芯片进行的随机电路采样（RCS）实验，揭示了量子动态与噪声之间的复杂相互作用。这一发现不仅提高了对量子系统中噪声影响的理解，还为量子计算设备的设计与优化提供了新的思路。在弱噪声相位中，全球关联主导的扩展熵比（XEB）结果显示了量子计算的潜在优势，特别是在抵御“欺骗”攻击方面。这表明，量子计算不仅能够实现高效的计算，还能在安全性方面超越经典计算。
此外，通过对张量网络收缩方法的改进，本文显著降低了随机电路的经典模拟成本，强调了在量子计算中有效利用资源的重要性。这一进展为未来的量子计算机设计和算法开发提供了宝贵的经验与启示。总体而言，本文的研究成果为推动量子计算技术的应用与发展奠定了基础，同时激发了研究者对如何利用量子特性实现更高效、更安全的计算方法的进一步探索。
文献信息
Morvan, A., Villalonga, B., Mi, X. et al. Phase transitions in random circuit sampling. Nature 634, 328–333 (2024).