使用算子反向传播改进量子计算

为什么缩短量子程序很重要

当今的量子计算机虽然强大，但很脆弱：如果运行程序时间太长，量子比特会失去它们的微妙状态。本文处理了这一瓶颈。作者展示了如何以一种巧妙的方式将部分量子计算卸载到经典计算机上，从而使量子硬件只需运行更短、更不易受噪声影响的程序，同时仍能对关心的量值给出相同的最终答案。这种称为算子反向传播的混合策略，有望让不完美的量子机器带来更多实际的科学价值。

在两类机器之间分担工作

许多量子算法归结为同一任务：用电路制备量子态，然后测量它对某个探测算子（即可观测量）的响应强度。通常情况下，整个电路和最终测量都在量子设备上完成，因此硬件必须在每一步保持相干。新的框架则把原始电路拆成两部分：一部分仍在量子芯片上运行，另一部分由经典计算机通过将可观测量数学上“向后推进”穿过那些门来处理。这样就把一个复杂的最终测量变成一组更简单的测量，可以在更短的量子程序之后进行。

把一个问题变成许多更简单的问题

关键思想是从可观测量而非量子态的角度来看问题。在经典计算机上，可观测量向后演化穿过所选的电路部分，作者称此过程为算子反向传播。在这个过程中，它被分解成许多基本构件（称为保里算子）的带权和。每个这样的构件都可以在量子设备上容易地测量。实验者在硬件上准备缩短后的电路，测量所有需要的保里算子，然后用预先计算好的权重组合这些结果。权衡是显而易见的：量子电路变得更浅、对噪声更不敏感，但需要更多独立的电路和测量。

让经典端足够快速

如果天真地将可观测量向后推进穿过许多量子门，计算成本会爆炸，因为保里构件的数量可能快速增长。为控制经典端的工作量，作者基于一种称为克利福德扰动理论的技术。这种方法利用门的结构来跟踪可观测量的变化，并安全地丢弃贡献极小的项。他们制定了实用规则来估计并界定丢弃这些小项所引入的误差，并解释了如何组织计算以便在许多经典计算节点上高效分配，这种情形他们称为以量子为中心的超算。

在模型磁体上检验该方法

为了检验该策略在真实硬件上的收益，团队将其应用到量子物理中的标准测试问题：模拟像磁体一样相互作用的量子自旋格子，称为XY模型。他们考虑了直接映射到IBM超导量子处理器的75个和127个自旋系统。这些自旋的时间演化被近似为一系列重复的门块，主要关心的量是平均自旋取向，在理想无噪声的演化中应保持恒定。利用算子反向传播，他们将量子电路缩短了相当于五个此类门块的长度，同时用经典端来补偿被移除的部分。

更精确的结果和更细的时间快照

在一维和二维自旋模型中，这种混合方法始终比运行完整深度电路产生更准确的平均自旋取向估计，即使在两种方法使用相同总实验次数的情况下也是如此。缩短的电路受硬件噪声影响较小，每次试验所需的量子操作也更少。另一个好处是：通过重复使用相同的测量数据，框架使研究人员能够重建个别自旋在许多中间时间点的变化，尽管硬件只在几个粗略时间点上运行。这种在测量之间“填充”动力学的能力，在无需额外量子运行的情况下，提供了对被模拟系统更丰富的图景。

这对量子计算未来意味着什么

这项工作表明，通过将当今的有噪声量子处理器与聪明的经典算法紧密配对，我们可以拓展其应用范围。与依赖越来越复杂的纠错编码不同，算子反向传播减少了量子设备必须保持可靠状态的时间，并把部分负担转移到可以用常规模拟机扩展的经典计算上。虽然该方法对具有特定结构的电路效果最好且不能卸载所有任务，但它已能提升相当规模物理模拟的精度。随着研究人员完善这些混合技巧并识别更多适合的问题，我们可以预计在容错量子机出现之前，量子硬件会更早提供有用的科学见解。

引用: Fuller, B., Tran, M.C., Lykov, D. et al. Improved quantum computation using operator backpropagation. npj Quantum Inf 12, 51 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01196-0

关键词: 混合量子计算, 误差缓解, 量子模拟, 算子反向传播, 有噪声中等规模量子