近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院劉玉璽教授團(tuán)隊(duì)提出“基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超導(dǎo)量子電路可擴(kuò)展參數(shù)設(shè)計(jì)”(Scalable Parameter Design for Superconducting Quantum Circuits with Graph Neural Networks)，于7月22日發(fā)表在國際著名期刊《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）雜志。
量子計(jì)算被視為下一代計(jì)算技術(shù)的重要方向，尤其是超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)，因其快速發(fā)展和出色的表現(xiàn)，成為量子計(jì)算的主要候選平臺(tái)之一。然而，隨著超導(dǎo)量子芯片規(guī)模的快速增長，芯片參數(shù)的傳統(tǒng)手動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)變得極為復(fù)雜，亟需新的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院劉玉璽教授研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展特性，開發(fā)了一種被比喻為“三階梯擴(kuò)展（three-stair scaling）”的算法。該算法涉及三種不同規(guī)模的超導(dǎo)量子電路。在大約包含6量子比特的小規(guī)模超導(dǎo)量子電路上，研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬產(chǎn)生數(shù)據(jù)集，繼而，根據(jù)該數(shù)據(jù)集通過有監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式訓(xùn)練誤差評(píng)估模型（evaluator）；由于超導(dǎo)量子電路誤差的局域性質(zhì)和誤差評(píng)估模型的特殊結(jié)構(gòu)，該模型可以直接應(yīng)用于更大規(guī)模的超導(dǎo)量子電路。接下來，在包含大約50至100量子比特的中等規(guī)模超導(dǎo)量子電路上，研究團(tuán)隊(duì)利用誤差評(píng)估模型得到的誤差，采用無監(jiān)督學(xué)習(xí)的模式訓(xùn)練了參數(shù)設(shè)計(jì)模型（designer）；參數(shù)設(shè)計(jì)模型是基于圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的，因而可以直接被應(yīng)用于大規(guī)模超導(dǎo)量子電路。
圖1. 算法總覽?？梢钥吹剑撐奶岢龅乃惴ㄍㄟ^兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模-中等規(guī)模-大規(guī)模超導(dǎo)量子電路的“三階梯放縮”，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模超導(dǎo)量子電路的參數(shù)設(shè)計(jì)。
研究成果表明，相比現(xiàn)有的國際先進(jìn)算法，本研究新提出的算法在優(yōu)化性能、設(shè)計(jì)效率和擴(kuò)展能力等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。例如，在包含約870個(gè)量子比特的大規(guī)模超導(dǎo)量子芯片上，所提出的算法能在27秒內(nèi)達(dá)到Snake算法51%的量子串?dāng)_誤差，而后者需耗時(shí)90分鐘。Snake算法是量子計(jì)算的全球引領(lǐng)者Google公司開發(fā)和使用的算法，被用于其2019年宣稱實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的著名超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“Sycamore”中。
圖2. 結(jié)果對(duì)比。圖a為最終得到的誤差，藍(lán)色代表的本算法取得了良好的效果；圖b為所消耗的時(shí)間，藍(lán)色代表的本算法有著巨大的效率優(yōu)勢。兩圖均在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制。
這一創(chuàng)新算法不僅為超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具，還為人工智能技術(shù)在量子計(jì)算硬件層面的應(yīng)用開辟了全新路徑，推動(dòng)了超導(dǎo)量子計(jì)算芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)一步自動(dòng)化和智能化。相關(guān)代碼已在GitHub上公開，為國際同行提供了重要的參考和共享資源。
論文的第一作者是清華大學(xué)集成電路學(xué)院2021級(jí)博士生艾浩，通訊作者是劉玉璽教授，清華大學(xué)集成電路學(xué)院是論文的唯一單位。該項(xiàng)目得到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目的支持。
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https://doi.org/10.1103/yr9d-7z8k
