Divide-and-conquer verification method for noisy intermediate-scale quantum computation
几个有噪声的中间尺度量子计算可以被看作是稀疏量子计算芯片上的量子深度量子线路，其中两个量子比特门可以直接应用于仅一些量子比特对。在本文中，我们提出了一种方法来有效地验证这种噪声的中间尺度量子计算。为此，我们首先描述小规模量子操作的钻石规范。然后，通过使用这些特征化的量子操作，我们估计从噪声中间尺度量子计算获得的实际$n$ -量子比特输出状态$\hatρ_{\rm out}$与理想输出状态（即，目标状态）$|ψ_t\rangle$。虽然直接保真度估计方法平均需要$\hatρ_{\rm out}$的$O(2^n)$拷贝，但我们的方法即使在最坏的情况下也只需要$O(D^32^{12D})$拷贝，其中$D$是$|ψ_t\rangle$的密集度。对于稀疏芯片上的量子深度量子线路，$D$至多是$O(\log{n})$，因此$O(D^32^{12D})$是$n$的多项式。通过使用IBM Manila 5-qubit芯片，我们还进行了原理验证实验，以观察我们的方法的实际性能。
2022-07-04 quant-ph
On quantum factoring using noisy intermediate scale quantum computers
我们研究了变分量子因子分解（VQF）算法的性能和资源使用情况，不同的实例大小和优化算法。我们的模拟表明，更好的机会找到基态时，使用VQE，而不是QAOA的优化。在基于梯度的优化，我们发现，所需的时间量子线路梯度估计是一个重要的问题，如果VQF是成为具有竞争力的经典因式分解算法。此外，我们比较了纠缠和非纠缠电路在VQE优化，并没有看到显着的证据，有利于包括纠缠的VQE电路。
2022-08-15 quant-ph
Quantum search on noisy intermediate-scale quantum devices
量子搜索算法（也称为Grover算法）为许多其他量子算法奠定了基础。虽然它非常简单，但它的实现仅限于有噪声的中间尺度量子（NISQ）处理器。Grover的算法在设计时没有考虑实际实现中的物理资源，例如深度。因此，Grover的算法可以针对NISQ器件进行改进。在本文中，我们演示了如何在NISQ设备上更好地实现量子搜索算法。我们提出了五量子比特量子搜索算法在不同量子处理器上的详细基准测试，包括IBMQ，IonQ和Honeywell量子设备。我们报告的最高成功概率的五量子位搜索算法相比，以前的作品。我们的研究结果表明，设计错误感知的量子搜索算法是可能的，它可以最大限度地利用NISQ计算机的能力。
2022-09-27 quant-ph
Fisher Information in Noisy Intermediate-Scale Quantum Applications
最近出现的噪声中等规模的量子设备，特别是近期的量子计算机，引发了广泛的研究工作，关注其可能的应用。在所考虑的方法的最前沿是使用参数化量子线路的变分方法。经典和量子费舍尔信息在量子传感领域有着广泛的应用前景，是研究量子系统参数化的有效工具。然而，它们在研究噪声中等规模量子器件的其他应用方面的效用直到最近才被发现。本文旨在进一步推广经典和量子费舍尔信息作为量子传感以外的短期应用的有用工具，以刺激更多这样的应用。我们从一个教程开始，建立了一个直观的理解经典和量子费舍尔信息，并概述了如何在短期设备上计算这两个数量。我们还阐明了它们之间的关系以及它们如何受到噪声过程的影响。接下来，我们给出了量子传感文献的核心结果的概述，并继续在变分量子算法和量子机器学习的最新应用的全面审查。
2021-09-06 quant-ph
Hybrid classical-quantum linear solver using Noisy Intermediate-Scale Quantum machines
我们提出了一个现实的混合经典量子线性求解器来解决特定类型的线性方程组，并证明了它的可行性使用Qiskit的IBM Q系统。该算法利用了在$\mathcal{O}(\log(N))$量子比特组成的量子线路上以$\mathcal{O}(N\log(N))$时间运行的量子随机游走。输入和输出是经典数据，因此可以很容易地访问。它对噪声具有鲁棒性，并准备在机器学习等应用中实现。
2019-06-06 quant-ph
Practical Quantum Search by Variational Quantum Eigensolver on Noisy Intermediate-scale Quantum Hardware
针对Grover搜索在NISQ硬件上因迭代深致噪声累积的问题，提出用经典优化器更新代替量子迭代的混合架构，通过最小化oracle哈密顿量期望值优化浅层参数化电路，在大于5比特时仍保持高成功概率。
2023-04-10 quant-ph
SANQ: A Simulation Framework for Architecting Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing System
为了弥合有限的硬件访问与噪声中等规模量子（NISQ）计算系统研究实验的巨大需求之间的差距，可以捕获量子处理器及其经典控制系统的建模以实现早期评估和设计空间探索的模拟器自然被调用，但仍然缺失。本文介绍了一个用于构建NISQ计算系统的仿真框架SARQ。SANQ由两个组件组成，1）优化的噪声量子计算（QC）模拟器，具有通过消除冗余计算加速的灵活误差建模，以及2）用于构建行为模型以评估控制系统的架构模拟基础设施。SANQ通过现有的NISQ量子处理器和控制系统进行验证，以确保模拟精度。它可以捕获QC设备上的方差，并精确地模拟定时行为（对于各种实际控制系统，误差<1%和10%）。最后给出了几个潜在的应用实例，表明SARQ对NISQ编译器、体系结构等的设计具有一定的参考价值。
2019-05-07 cs.ET quant-ph
Classical Optimizers for Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices
我们提供了一系列针对有噪中尺度量子（NISQ）设备使用而调整的优化器。优化器在量子计算中具有一系列应用，包括变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化（QAOA）算法。它们也用于校准任务，超参数调整，在机器学习等，我们分析了不同的优化VQE案例研究的效率和有效性。VQE是一种混合算法，具有经典的最小化步骤，驱动量子处理器上的下一次评估。虽然迄今为止的大多数结果集中在调谐量子VQE电路，我们表明，在量子噪声的存在下，经典的极小步骤需要仔细选择，以获得正确的结果。我们探索国家的最先进的无梯度优化器能够处理噪声，黑盒，成本函数和压力测试，他们使用量子线路模拟环境与噪声注入能力的个别门。我们的研究结果表明，专门调整的优化器是至关重要的NISQ硬件上获得有效的科学成果，并可能仍然是必要的，即使是未来的容错电路。
2021-04-15 quant-ph
Benchmarking Machine Learning Algorithms for Adaptive Quantum Phase Estimation with Noisy Intermediate-Scale Quantum Sensors
量子相位估计是量子传感和计量学中的一个典型问题。在这里，我们表明，基于经典机器学习算法的自适应方法可以用来提高量子相位估计的精度时，噪声非纠缠量子比特用作传感器。我们采用差分进化（DE）和粒子群优化（PSO）算法来完成这项任务，我们确定最佳的反馈政策，最大限度地减少Holevo方差。我们针对包括高斯和随机电报波动以及由于退相干而降低的拉姆齐条纹可见性在内的场景对这些方案进行了基准测试。我们讨论了它们对噪声的鲁棒性与实际的实验设置，如马赫-曾德尔干涉与光子和拉姆齐干涉在被困离子，超导量子比特和氮空位（NV）中心的钻石。
2021-08-17 cond-mat.dis-nn quant-ph
Accurate Chemical Reaction Modeling on Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers Using a Noise-Resilient Wavefunction Ansatz
提出一种结合活性轨道选择、DSRG有效Hamiltonian和抗噪声波函数ansatz的高效量子模拟方案，在NISQ设备上实现了精确的化学反应建模，推动了NISQ时代量子效用的实现。
2024-04-22 quant-ph
Benchmarking Noisy Intermediate Scale Quantum Error Mitigation Strategies for Ground State Preparation of the HCl Molecule
本文针对HCl分子基态制备，将量子比特缩减与上下文子空间VQE技术结合多种纠错策略，在8个27-qubit IBM Falcon量子处理器上进行了基准测试，旨在突破现有含噪量子硬件的化学精度限制。
2023-03-02 quant-ph
Variational Quantum Eigensolver Approach to Prime Factorization on IBM's Noisy Intermediate Scale Quantum Computer
本研究提出基于变分量子特征求解器（VQE）的量子-经典混合质因数分解算法，经IBM真实量子计算机与经典模拟器验证，分别可分解最大253与1048561的数，展现了近期量子计算的应用潜力。
2025-03-19 quant-ph
Simulating hydrodynamics on noisy intermediate-scale quantum devices with random circuits
在最近的一个里程碑式的实验中，谷歌的处理器Sycamore通过从（伪）随机电路的输出中采样，预示着“量子霸权”时代的到来。我们表明，这样的随机电路提供了量身定制的积木模拟量子多体系统的噪声中间尺度量子（NISQ）设备。具体而言，我们提出了一个算法，包括一个随机电路，然后由trottered哈密顿时间演化研究流体力学和提取传输系数的线性响应制度。我们通过模拟一维和二维量子自旋系统中时空关联函数的建立来数值演示该算法，在那里我们特别仔细研究了任何现实实现中存在的错误的不可避免的影响。重要的是，我们发现，流体动力学缩放的相关性是非常强大的特罗特步骤，这打开了大门，达到非平凡的时间尺度与少量的门的大小。虽然随机电路内的错误被证明是无关紧要的，我们还揭示了有意义的结果，可以获得噪声的时间演化与误差率在近期硬件上实现。我们的工作强调了抽象采样任务之外的NISQ设备上的随机电路的实际相关性。
2021-06-08 cond-mat.stat-mech quant-ph
Exploring Quantum-Enhanced Machine Learning for Computer Vision: Applications and Insights on Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices
Deloitte（德勤）
本研究针对NISQ设备噪声问题，探索量子计算与机器学习在计算机视觉中的结合，评估数据重上传和补丁GAN等混合量子-经典算法，证明其性能可比或优于经典方法。
2024-04-01 cs.LG quant-ph
Continuous monitoring for noisy intermediate-scale quantum processors
我们提出了一个连续监测系统的中间规模的量子处理器，允许提取估计的噪声本地门和读出测量的基础上执行的量子线路和测量结果。与用于校准和基准测试量子处理器的标准方法相比，被输入到监控系统的执行电路被假设为不受任何控制。我们提供了将我们的系统应用于从量子仿真器获得的合成生成的数据以及从可公开访问的基于云的量子处理器收集的实验数据的结果。在这两种情况下，我们证明了所开发的方法提供了宝贵的结果固有的噪声仿真器/处理器。考虑到我们的方法只使用已经实现的电路中的数据，而不需要运行额外的算法，监控系统可以补充现有的方法。我们希望我们的监测系统可以在短期内成为各种量子计算机的有用工具，包括可公开访问的基于云的平台，并减少其基准测试和校准所需的资源。
2023-01-10 quant-ph
Quantum metrology in the noisy intermediate-scale quantum era
本文综述了量子计量学的原理与应用，重点探讨了在现实噪声退相干环境下克服不可行定理、实现量子测量高精度的方法及主动控制策略。
2023-11-28 quant-ph
MUQUT: Multi-Constraint Quantum Circuit Mapping on Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers
量子技术领域的快速发展为研究人员提供了实验量子线路和模拟小规模量子程序的真正可能性。然而，当前可用的量子比特的质量和环境噪声对量子线路的平稳执行提出了挑战。因此，有效的设计自动化流程映射到噪声中间尺度量子（NISQ）计算机给定的算法变得至关重要。最先进的量子设计自动化工具主要集中在减少逻辑深度，门数和量子位数，最近强调拓扑感知（最近邻符合性）映射。在这项工作中，我们扩展的技术映射流程，同时考虑拓扑和门保真度的约束，同时保持逻辑深度和门数作为优化目标。我们提供了一个全面的问题制定和多层方法来解决它。建议的自动化流程与商业量子计算机兼容，如IBM QX和Rigetti。对10个标准量子线路的仿真结果表明，该电路的保真度最高可提高3.37倍，平均提高1.87倍。
2019-11-16 quant-ph
Symmetry verification for noisy quantum simulations of non-Abelian lattice gauge theories
本文针对非阿贝尔格点规范理论的含噪量子模拟，提出动态后选择和后处理对称性验证两种错误缓解方法，并以2+1维D_3群为例验证其在NISQ设备上的有效性。
2025-07-15 cond-mat.other hep-lat nucl-th
Support Vector Machines on Noisy Intermediate Scale Quantum Computers
Ericsson Research（爱立信研究院）
支持向量机算法被认为是在无线电接入网络中实现自动化的关键。具体而言，它们在基于设备和网络级指标预测视频流的用户体验质量方面至关重要。量子支持向量机是经典支持向量机算法的量子模拟，它利用量子计算机的特性以指数方式加速算法。在这项工作中，我们推导出一个优化的预处理单元的量子SVM，允许分类任何二维数据集是线性可分离的。我们还提供了一种核矩阵生成电路的结果读出方法，以避免量子层析成像，这反过来又降低了量子电路深度。我们还推导出一个量子SVM系统的基础上优化的HHL量子电路与减少电路深度。
2019-09-26 cs.ET cs.LG quant-ph
Mitigating realistic noise in practical noisy intermediate-scale quantum devices
量子误差抑制（QEM）对于噪声中尺度量子（NISQ）器件至关重要。虽然大多数传统的QEM方案假设离散的基于门的电路与噪声出现在每个门之前或之后，假设是不合适的描述现实的噪声，可能有很强的门依赖性和复杂的非局部效应，和一般的计算模型，如模拟量子模拟器。为了解决这些挑战，我们首先扩展的情况下，每个计算过程，无论是数字或模拟，描述了一个连续的时间演变。对于工程哈密顿量或额外的噪声算子的缺陷的噪声，我们表明它可以有效地抑制一种新的随机QEM方法。由于我们的方法只假设精确的单量子比特控制，因此它适用于所有数字量子计算机和各种模拟模拟器。同时，利用Richardson外推法可以有效地抑制减载过程中的误差.当我们在能量弛豫和退相噪声下用各种哈密顿算子以及具有额外两个量子比特串扰的数字量子线路对我们的方法进行数值测试时，我们显示出模拟精度提高了两个数量级。我们评估了我们的方案的资源成本，并得出结论，精确的量子计算与NISQ设备的可行性。
2020-12-22 quant-ph
Shallow instantaneous quantum polynomial-time circuits for generative modeling on noisy intermediate-scale quantum hardware
Eurecat, Centre Tecnològic de Catalunya（Eurecat，加泰罗尼亚技术中心）；Centre de Visió per Computador (CVC)（计算机视觉中心）；Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)（巴塞罗那自治大学）
本文提出基于浅层IQP电路的生成建模方法，通过高效经典训练在噪声中间尺度量子硬件上实现高精度局部相关性复制。
2026-03-12 quant-ph
Partial Compilation of Variational Algorithms for Noisy Intermediate-Scale Quantum Machines
量子计算正处于现实的风口浪尖，目前正在开发和测试噪声中等规模量子（NISQ）机器。这些机器的一些最有前途的算法是变分算法，它采用经典优化与量子硬件相结合来评估每个候选解决方案的质量。最近的工作使用GRadient Descent Pulse Engineering（GRAPE）将量子程序转换为高度优化的机器控制脉冲，从而大大减少了程序的执行时间。这一点至关重要，因为量子机器在失败之前几乎无法支持短程序的执行。然而，GRAPE遭受高编译延迟，这在变分算法中是站不住脚的，因为编译与计算是交错的。我们提出了两种策略，部分编译，利用变分电路的结构，预编最佳脉冲的特定块的门。我们的研究结果表明，在典型的基准测试中，脉冲加速范围从1.5倍到3倍不等，只有GRAPE编译延迟的一小部分。
2019-09-16 cs.SY eess.SY quant-ph
Special Session: Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Computers -- How They Work, How They Fail, How to Test Them?
首先，量子计算机最近已经证明了“量子至上”或“量子优势“：执行在经典机器上不可能的计算。今天的量子计算机遵循NISQ范式：它们的错误率比传统电子产品高得多，并且没有足够的量子资源来支持强大的纠错协议。这引发了一些问题，即相关计算是否在NISQ架构的范围内。一些“NISQ时代的算法”被假定为与这种计算机的特性相匹配;例如，变分优化器是基于交织相对较短的量子和经典计算，从而最大限度地提高成功的机会。本文将批判性地评估NISQ计算的承诺和挑战。到目前为止，这个领域已经取得了什么成就，我们可能很快会取得什么成就，我们在哪里必须持怀疑态度，等待更大规模的完全纠错架构的出现？
2023-01-27 quant-ph
Noisy intermediate-scale quantum (NISQ) algorithms
Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore（新加坡国立大学量子技术中心）；University of Toronto（多伦多大学）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Boehringer（勃林格）
一个通用的容错量子计算机，可以有效地解决整数分解和非结构化数据库搜索等问题，需要数百万个量子比特，具有低错误率和长相干时间。虽然实现这种设备的实验进展可能需要数十年的研究，但嘈杂的中间尺度量子计算机（NISQ）已经存在。这些计算机由数百个噪声量子位组成，即没有纠错的量子位，因此在有限的相干时间内执行不完美的操作。在利用这些设备寻找量子优势的过程中，已经提出了用于物理学、机器学习、量子化学和组合优化等各个学科的应用的算法。这种算法的目标是利用有限的可用资源来执行经典的具有挑战性的任务。在这篇评论中，我们提供了一个全面的总结NISQ计算范式和算法。我们讨论了这些算法的关键结构，它们的局限性和优势。此外，我们还全面概述了用于编程和测试NISQ器件的各种基准测试和软件工具。
2021-10-06 cond-mat.stat-mech cs.AI cs.LG
Dynamical quantum phase transitions in a noisy lattice gauge theory
格点规范理论（LGT）形成了与高能粒子物理和低能凝聚态物理高度相关的一类有趣的理论，其中工程量子器件的快速发展提供了新的工具来研究例如这种理论的动力学。大质量的施温格模型被认为表现出更复杂的理论的复杂性质，最近被证明经历动态量子相变出平衡。在当前技术下，噪声对于成功的量子模拟是不可避免的并且潜在地是致命的。研究了$(1+1)$ D U $(1)$量子链模型在噪声作用下的动力学性质.我们发现，该系统不仅能够在NISQ时代的设备中以现实的速率处理噪声，有希望利用当前技术研究目标动态的可能性，而且可以通过简单的模型来理解噪声的影响。具体而言，位翻转通道的规范破坏性质导致状态振幅的指数衰减，从而导致可观测量的指数衰减，这不影响感兴趣的结构。这是特别重要的，因为它表明，规范理论可以成功地研究与设备，只有表现出近似规范不变性。
2022-03-31 hep-lat hep-th quant-ph
Steady-State Statistics of Classical Nonlinear Dynamical Systems from Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices
本文探索用NISQ量子计算机经QPE和VQE求解FPE零模，以获取经典非线性动力系统的稳态PDF，并在一维Ornstein-Uhlenbeck问题上验证其与经典结果吻合。
2024-09-09 cond-mat.stat-mech nlin.CD quant-ph
Particle track reconstruction with noisy intermediate-scale quantum computers
带电粒子轨道的重建是当前和未来对撞机实验的关键计算挑战。考虑到量子计算的快速发展，探索其在高能物理中解决这一问题和其他问题的潜力至关重要。该问题可以表述为二次无约束二进制优化（QUBO），并使用变分量子本征求解器（VQE）算法求解。在这项工作中，QUBO分为更小的子QUBO，适合目前或在短期内可用的硬件的影响进行评估。然后，在理想的模拟中，使用模仿量子器件的噪声模型和IBM量子计算机，研究了VQE在小量子量子点上的性能。这项工作作为一个证明的原则，VQE可用于粒子跟踪和调查修改的VQE，使其更适合于组合优化。
2023-03-23 hep-ex quant-ph
Interaction Energies on Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers
在有噪声的中间尺度量子计算机（NISQ）上计算相互作用能似乎是具有挑战性的，直接应用现有的量子算法。例如，使用标准超分子方法和变分量子本征求解器（VQE）将需要极其精确地分辨碎片的总能量，以提供对相互作用能的精确扣除。在这里，我们提出了一个自适应微扰理论（SAPT）的方法，可以提供高量子资源效率的相互作用能。特别值得注意的是，我们提出了一个量子扩展随机相位近似（ERPA）的SAPT二阶感应和色散项，包括交换对应的治疗。与以前的工作一阶项，这提供了一个完整的SAPT（VQE）相互作用能量高达二阶的配方。SAPT相互作用能项作为第一级观测量计算，不扣除单体能量，唯一需要的量子观测是VQE单粒子和双粒子密度矩阵。根据经验，我们发现SAPT（VQE）可以提供准确的相互作用能，即使粗略优化，低电路深度波函数的量子计算机，通过理想的状态矢量模拟。总相互作用能的误差是数量级低于相应的单体波函数的VQE总能量误差。
2022-07-01 quant-ph
Prospect of using Grover's search in the noisy-intermediate-scale quantum-computer era
为了了解Grover搜索算法在存在量子计算机噪声的情况下对大型非结构化数据的利用范围，我们通过施加各种类型的噪声进行了一系列模拟，由IBM QISKit建模。我们应用三种形式的Grover算法：（1）标准算法，具有4-10个量子位，（2）最近发表的修改的Grover算法，设置为减少电路深度，以及（3）（1）和（2）中的算法，通过添加辅助量子位修改多控制Toffoli。基于这些模拟，我们找到了这些情况下的噪声上限，建立其依赖于电路的量子深度，并提供它们之间的比较。通过拟合阈值的外推，我们预测了当应用Grover算法在大到32000的数据集中搜索数据时，典型的门误差界限是什么。
2020-09-18 quant-ph
Implementing 2-qubit pseudo-telepathy games on noisy intermediate scale quantum computers
本文回顾了在量子计算机上实现Mermin魔方游戏的两种方法，并提出基于2量子比特Pauli群几何的新Doily游戏，在IBM量子设备上验证其量子性，但噪声限制了完整展示。
2023-10-11 math-ph math.MP quant-ph
Controlling quantum chaos via Parrondo strategies on noisy intermediate-scale quantum hardware
针对NISQ系统的量子混沌控制问题，本研究基于Parrondo策略，利用经QFT优化的DTQW在三台NISQ设备上实现混沌到有序的转变，验证了该方案的可行性与应用价值。
2025-11-04 cond-mat.dis-nn cs.AR nlin.CD
Noisy intermediate scale quantum simulation of time dependent Hamiltonians
量子计算机有望帮助我们实现多体量子系统动力学的精确模拟。然而，目前NISQ设备的局限性使我们无法实现这一目标。最近提出了一种称为量子辅助模拟器的用于执行量子模拟的算法，该算法有望在当前的实验设备上实现。在这项工作中，我们扩展了量子辅助模拟器来模拟一类含时哈密顿的动力学。我们表明，量子辅助模拟器更容易实现，并且可以实现多量子位相互作用和具有挑战性的驱动协议，这是其他现有方法难以实现的。我们证明了这一点的IBM量子体验云量子计算机上的时间相关的哈密顿量的量子辅助模拟器相比，Trotterization和变分量子模拟的优越性能。此外，我们展示了模拟由10000个量子位组成的哈密顿动力学的能力。我们的研究结果表明，量子辅助模拟器是一个很有前途的算法，目前的量子硬件。
2021-08-15 quant-ph
Software Mitigation of Crosstalk on Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers
串扰是噪声中尺度量子（NISQ）系统中的主要噪声源，并且是硬件设计的基本挑战。当并行执行多个指令时，指令之间的串扰会破坏量子态并导致不正确的程序执行。我们的目标是通过软件技术减轻串扰噪声对应用的影响。这需要（i）硬件串扰的准确表征，以及（ii）智能指令调度以串行化受影响的操作。由于串扰表征是计算昂贵的，我们开发的优化，减少表征开销。在三个20量子位IBMQ系统上，我们证明了与所有对串扰测量相比，表征时间（QC设备上的计算时间）减少了两个数量级。通过这些特征，我们开发了一个调度程序，明智地串行化高串扰指令平衡的需要，以减轻串行化的串扰和指数解相干错误。在三个IBMQ系统上运行的实际系统上，与IBM指令调度器相比，我们的调度器将应用电路的错误率提高了5.6倍，并在实践中提供了接近最佳的串扰缓解。从更广泛的角度来看，缓解串扰的困难最近促使QC供应商转向更稀疏的量子位连接或完全在硬件中禁用附近的操作，这可能对性能有害。我们的工作使得软件缓解串扰错误的情况下。
2020-01-09 cs.ET quant-ph
Hybrid quantum-classical algorithms in the noisy intermediate-scale quantum era and beyond
混合量子经典算法是当前量子计算研究的核心，特别是在考虑噪声中间尺度量子（NISQ）时代时，已经进行了大量的实验演示。从这个角度来看，我们讨论了在一个非常广泛的意义上，它意味着一个算法是混合量子经典。我们首先非常直接地探索这个概念，通过建立一个基于抽象/表示理论的定义，认为使算法混合的不是它是如何运行的（或者它消耗了多少经典资源），而是经典组件是否对计算的底层模型至关重要。然后，我们采取更广泛的观点，这个问题，回顾了一些混合算法，并讨论是什么使他们的混合，以及他们如何出现的历史，并考虑到硬件。这导致了对这些算法未来的自然讨论。为了回答这个问题，我们转向经典计算中专用处理器的使用。经典的趋势不是新技术完全取代旧技术，而是增强它。我们认为量子计算的演变不太可能有所不同：混合算法很可能在NISQ时代之后保持很好甚至进入完全容错，量子处理器通过执行专门的任务来增强已经存在的强大的经典处理器。
2022-07-14 quant-ph
Preparing Valence-Bond-Solid states on noisy intermediate-scale quantum computers
本文提出在NISQ量子计算机上制备一维和蜂窝晶格AKLT模型基态（自旋-1和自旋-3/2 VBS态）的浅层量子电路方法，并通过优化和二分晶格策略降低重复开销，有望超越传统数值方法。
2022-09-21 cond-mat.str-el quant-ph
Noisy intermediate-scale quantum computers
本文综述量子计算在算法、硬件与技术路线上的进展，总结NISQ时代的挑战，并展望容错量子计算与杀手级应用前景。
2023-03-07 quant-ph
Greedy Gradient-free Adaptive Variational Quantum Algorithms on a Noisy Intermediate Scale Quantum Computer
提出贪心无梯度自适应变分量子本征求解器（GGA-VQE），通过解析无梯度优化降低噪声影响，并在25量子比特QPU上实现25体Ising模型基态的良好近似。
2025-01-23 physics.chem-ph quant-ph
Black-Litterman Portfolio Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers
本文提出利用NISQ算法增强Black-Litterman投资组合优化，通过量子机器学习预测投资者观点并用VQE求解优化问题，在回测中优于常见模型，且量子比特资源随问题规模线性增长，展示了量子计算在金融优化中的潜力。
2023-12-01 quant-ph
Noise-Adaptive Compiler Mappings for Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers
当前的量子计算（QC）原型与许多提出的QC算法所需的大小和规模之间存在巨大差距。目前的QC实现容易受到影响其可靠性的噪声和可变性的影响，但由于总共不到80个量子位（qubit），它们的资源过于有限，无法实现纠错。噪声中尺度量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ）一词指的是当前和近期的1000量子比特或更少的系统。由于NISQ的资源限制严重，可靠性低，物理特性（如相干时间或错误率）变化大，因此将计算映射到它们上以有效利用资源并最大化成功运行的可能性是非常重要的。本文提出并评估后端编译器的方法来映射和优化高层次的QC程序执行高可靠性NISQ系统具有不同的硬件特性。我们的技术都从量子程序的LLVM中间表示开始（例如从Scaffold等高级QC语言生成），并生成可在IBM Q公共QC机器上运行的QC可执行文件。然后，我们使用这个框架来实现和评估几个最佳的和启发式的映射方法。这些方法在如何解释动态机器校准数据的可用性、各种噪声参数的相对重要性、不同的可能路由策略以及编译时可扩展性与运行时成功的相对重要性方面有所不同。使用真实系统的测量，我们表明，细粒度的空间和时间变化的硬件参数可以利用，以获得一个平均的$2.9$ x（和高达$18$ x）的程序成功率提高了行业标准的IBM Qiskit编译器。
2019-01-30 cs.PL quant-ph
Quantum cryptography compatible with noisy intermediate-scale quantum devices based on Parrondo dynamics in discrete-time quantum walks
National Institute of Science Education and Research（国家科学教育研究中心）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
提出一种基于离散时间量子行走的密码方案，利用Parrondo动力学实现周期演化，并在NISQ设备上通过Qiskit仿真验证其抗噪声能力，分析截获重发和中间人攻击下的量子比特错误率。
2026-07-03 cond-mat.dis-nn quant-ph stat.CO
Machine learning applications for noisy intermediate-scale quantum computers
University of Edinburgh（爱丁堡大学）
量子机器学习已被证明是一个富有成果的领域，在其中寻找量子计算机的潜在应用。这对于那些在短期内可用的，所谓的噪声中间尺度量子（NISQ）设备尤其如此。在这篇论文中，我们开发和研究了三个适用于NISQ计算机的量子机器学习应用程序，这些应用程序根据呈现给它们的数据的复杂性进行排序。这些算法本质上是变分的，并且使用参数化的量子线路（PQC）作为底层量子机器学习模型。第一个应用领域是使用PQC的量子分类，其中数据是经典的特征向量及其相应的标签。在这里，我们研究了这种模型中某些数据编码策略对量子计算机中存在的噪声的鲁棒性。第二个领域是使用量子计算机的生成建模，我们使用量子线路玻恩机从复杂的概率分布中学习和采样。我们讨论并提出了这样的模型的量子优势的框架，提出了基于梯度的训练方法，并在数值上和Rigetti量子计算机上（最多28个量子比特）证明了这些方法。对于我们的最后一个应用程序，我们提出了一个变分算法在该地区的近似量子克隆，其中的数据成为量子的性质。对于该算法，我们推导出可微的成本函数，证明理论保证，如忠实性，并结合最先进的方法，如量子架构搜索。此外，我们展示了该算法是如何有用的发现新的可实现的攻击量子密码协议，专注于量子硬币翻转和密钥分发为例。
2022-05-19 cs.LG quant-ph
Noisy intermediate-scale quantum simulation of the one-dimensional wave equation
本研究在Quantinuum H1-1量子计算机上实现了模拟一维波动方程的量子电路，其深度为O(n^2)，误差为O(2^{-4n}t^2)，并确定了最小总误差的最优工作点，可作为跨处理器的应用基准。
2024-12-16 math-ph math.MP physics.app-ph
Probing entanglement dynamics and topological transitions on noisy intermediate-scale quantum computers
本研究在IBM噪声中等规模量子计算机上模拟SSH链淬火动力学，用随机测量等方法测纠缠熵等物理量，结合误差缓解技术得到与精确解高度吻合的结果，为拓扑量子系统研究提供实验支撑。
2024-12-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Formal Constraint-based Compilation for Noisy Intermediate-Scale Quantum Systems
有噪声的中尺度量子（NISQ）系统预计将具有几百个量子位，最小或没有纠错，有限的连接性以及在机器的短相干窗口内可以执行的门的数量限制。过去十年对量子程序设计语言和编译器的研究是针对具有数千个量子位的大型系统。对于近期的量子系统，设计工具流是至关重要的，它可以有效地利用硬件资源，而不会牺牲高级编程环境的易用性和可移植性。在本文中，我们提出了一个编译器的脚手架量子程序设计语言，其中积极的优化专门针对NISQ机与数百个量子位。我们的编译器提取门从脚手架程序，并制定了一个约束优化问题，考虑程序特性和机器的约束。使用Z3 SMT求解器，编译器将程序量子位映射到硬件量子位，调度门，并插入CNOT路由操作，同时优化整体执行时间。优化的输出用于生成OpenQASM语言的目标代码，这些代码可以在现有的量子硬件（如16量子位IBM机器）上执行。使用真正的和合成的基准，我们表明，它是可行的，以综合接近最佳的编译代码，目前和小型NISQ系统。对于大型程序和机器大小，SMT优化方法可以用于合成编译代码，保证在机器的一致性窗口内完成。
2019-03-08 cs.PL quant-ph
Quantum topology optimization of ground structures using noisy intermediate-scale quantum devices
本研究提出使用两个变分量子算法（VQAs）解决NP-hard拓扑优化问题，通过求解状态平衡方程并放大量子叠加中最优配置的概率，实验证明量子计算机能有效求解拓扑优化，为未来产品设计提供新途径。
2022-07-19 quant-ph
Architecting Noisy Intermediate-Scale Trapped Ion Quantum Computers
捕获离子（TI）是构建噪声中尺度量子（NISQ）硬件的主要候选者。TI量子比特与超导量子比特等其他技术相比具有根本优势，包括高量子比特质量、相干性和连通性。然而，目前的TI系统尺寸小，具有5-20个量子位，并且通常使用具有基本可扩展性限制的单阱架构。为了迈向下一个50-100量子比特的重要里程碑，已经提出了一种称为量子电荷耦合器件（QCCD）的模块化架构。在基于QCCD的TI设备中，小阱通过离子穿梭连接。虽然已经展示了这些设备的基本硬件组件，但构建50-100量子位系统是具有挑战性的，因为陷阱大小，通信拓扑和门实现的设计可能性范围很广，并且需要匹配不同的应用资源要求。为了实现50-100量子比特的QCCD系统，我们进行了广泛的体系结构研究，评估陷阱大小，通信拓扑结构和操作实现方法的关键设计选择。我们建立了一个设计工具流，它需要一个QCCD架构的参数作为输入，以及一组应用程序和现实的硬件性能模型。我们的工具流将应用程序映射到目标设备上，并模拟它们的执行，以计算应用程序运行时间、可靠性和设备噪声率等指标。使用六个应用程序和几个硬件设计点，我们表明，陷阱大小和通信拓扑结构的选择可以影响应用程序的可靠性高达三个数量级。微架构门实现的选择影响可靠性的另一个数量级。通过这些研究，我们提供了具体的建议来调整这些选择，以实现高度可靠和高性能的应用程序执行。
2020-04-09 quant-ph
Noisy intermediate-scale quantum computing algorithm for solving an $n$-vertex MaxCut problem with log($n$) qubits
量子计算机是一种设备，与经典计算机相比，它可以更有效地解决问题。由于开发量子误差校正计算机的时间轴尚不清楚，量子计算社区已经将很多注意力集中在开发用于当前可用的噪声中等规模量子计算机（NISQ）的算法上。到目前为止，在NISQ中，优化问题是最常研究的问题之一，并且经常使用量子近似优化算法（QAOA）来解决。该算法以计算具有最大边分离（MaxCut）的图分区而闻名，但可以轻松计算与图相关的其他问题。在这里，我提出了一种新的量子优化算法，与QAOA相比，它使用的量子位数呈指数级减少，同时需要显着减少的量子操作来解决MaxCut问题。这种改进的性能使我能够在公共可用的5量子比特门量子计算机上划分具有32个节点的图，而无需任何预处理，例如将图划分为更小的子图。与基于门的量子计算机（如Google Sycamore）上的最新实验相比，这些结果代表了图形大小增加了40%。在量子计算机的理想模拟器上，所得到的下界为77.6%，在实际硬件基准上的解为54.9%。此外，用量子计算机的模拟器来处理由128个节点的图表示的大规模优化问题，同样没有任何预划分成更小的子问题，并且实现了67.9%的下限解。这里提出的研究为使用强大的遗传优化器与量子计算机协同工作铺平了道路
2023-02-15 physics.comp-ph quant-ph
Option Pricing on Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers: A Quantum Neural Network Approach
finQbit
本文提出基于量子神经网络的期权定价方法，通过在不同量子硬件上测试，验证了在噪声中等规模量子设备上实现准确定价的可行性。
2026-04-20 cs.LG quant-ph
Continuous-time dynamics and error scaling of noisy highly-entangling quantum circuits
研究了存在耗散和退相干的高纠缠中尺度量子线路的连续时间动力学。通过将希尔伯特空间压缩到支持密度矩阵的忠实表示的时间相关的"角"子空间，我们模拟了具有多达21个量子比特的噪声量子傅里叶变换处理器。我们的方法是有效的计算具有可控精度的中等熵的中间尺度开放量子系统的时间演化，同时考虑到微观耗散过程，而不是依赖于数字误差模型。在我们的模拟中达到的电路大小允许提取误差传播的缩放行为与耗散率和量子比特的数量。此外，我们表明，取决于耗散机制在发挥作用，输入状态的选择有很大的影响量子算法的性能。
2021-12-06 quant-ph
Phase-Space Framework for Noisy Intermediate-Scale Quantum Optical Neural Networks
本文提出基于相空间正P方法的计算框架，用于模拟大规模玻色子量子光学神经网络，发现其性能与模式数呈复杂依赖关系，为量子神经形态计算设计提供关键指导。
2025-07-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.quant-gas quant-ph
Practical Evaluation of Quantum Kernel Methods for Radar Micro-Doppler Classification on Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Hardware
National Institute of Technology, Rourkela（奈洛达尔国家理工学院）；Indian Institute of Technology, Dhanbad（丹巴德印度理工学院）
本文提出利用量子支持向量机在NISQ硬件上对雷达微多普勒信号进行分类，通过降维和量子核方法提升分类性能，并验证了硬件噪声对结果的影响。
2026-01-29 cs.AI quant-ph
Estimating the Effect of Crosstalk Error on Circuit Fidelity Using Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices
本研究提出一种结合随机基准测试与同时随机基准测试的简单实用方法，用于估计NISQ器件上的串扰误差，并在IBM多量子比特器件上验证，通过插入指令屏障将电路保真度提升至多3.06倍。
2024-11-05 cs.AI quant-ph
Noisy intermediate-scale quantum algorithm for semidefinite programming
Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore（新加坡国立大学量子技术中心）；Imperial College London（帝国理工学院）；University of Oxford（牛津大学）；MajuLab, CNRS-UNS-NUS-NTU International Joint Research Unit（Maju实验室，法国国家科学研究中心-尼斯大学-新加坡国立大学-南洋理工大学国际联合研究单位）；National Institute of Education, Nanyang Technological University（南洋理工大学国立教育学院）
半定规划是一类凸优化问题，在控制理论、量子信息、组合优化和运筹学等领域有着广泛的应用。噪声中尺度量子（NISQ）算法旨在有效利用当前一代量子硬件。然而，优化变分量子算法是一个挑战，因为它是一个NP难题，通常需要指数时间来解决，并且可能包含许多远离最优的局部极小值。在这里，我们提出了一个目前的长期NISQ算法求解SDP。我们的NISQ求解器的经典优化程序是低维空间上的另一个SDP。我们利用基于SDP的哈密顿基态问题的公式来设计NISQ本征解算器。与变分量子本征求解器不同，本征解算器的经典优化程序是凸的，可以在多项式时间内求解，且每个局部最小值都是全局最小值。我们发现数值证据表明，NISQ SDP可以提高基态能量的估计在一个可扩展的方式。进一步，我们有效地解决了约束问题，计算了哈密顿量的激发态，找到了对称约束哈密顿量的最低能量，确定了量子态鉴别的最佳测量方法。我们证明了我们的方法的潜力，找到最大的本征值高达$2^{1000}$维矩阵和解决图形问题的量子上下文。我们还讨论了NISQ算法的秩约束的SDP。我们的工作将NISQ计算机的应用扩展到过去几十年中最成功的算法框架之一。
2023-01-28 cs.LG math.OC quant-ph
Suppressing Coherent Gauge Drift in Quantum Simulations
在有噪声的量子计算机上模拟场论，必须克服噪声带来的误差。对于规范理论，有很大一部分误差违反了规范对称性，从而可能导致模拟中出现非物理过程。本文提出一种适用于非阿贝尔规范理论的方法，通过重复应用伪随机规范变换来抑制相干规范漂移误差。在主要误差是规范违反的情况下，我们希望这种方法是一种实用的方法，以提高NISQ时代的模拟精度。
2020-05-26 hep-lat quant-ph
