近日，清华大学丘成桐数学科学中心教授刘正伟，博士生邵钰菓、魏付川，北京雁栖湖应用数学研究院助理研究员程嵩提出了一种计算含噪声量子线路期望值的高效方法——泡利基上的算符反向传播（Observable's Back-propagation on Pauli Paths，OBPPP），这一变分量子算法在精度和速度上均优于量子硬件，并可应用于更广泛类别的量子电路中。
目前，量子计算正处于所谓的“含噪声中等规模量子硬件时代（NISQ Era）”。变分量子算法凭借其对量子硬件更低的要求，有望率先实现可应用且有意义的量子算法，因而在组合优化、量子化学、材料计算乃至机器学习等领域都备受关注。但变分量子算法的研究仍面临着诸多难题，如线路噪声带来的退相干、表达能力的局限、可训练性的丧失等。事实上，找到相对经典且真正具备量子优势的变分量子算法，依旧是一个科学界反复讨论又难以解决的开放问题。一个同样重要的反问题是：什么类型的变分量子算法是容易被经典模拟的？
数学中心量子对称团队从理论上证明了一大类常见的变分量子算法，其架构均不具有量子优势。基于这一理论，团队创造性地构建了一个切实可算的多项式复杂度的经典算法——OBPPP，并与上述变分量子算法进行对比，获得了喜人的结果。
研究人员成功地对IBM的Eagle量子处理器的算法进行了经典模拟，运行时间比量子硬件更短，同时实现了更准确的期望值。以模拟IBM算法实验为例，量子比特数为127，线路深度为80，OBPPP得到每张图的计算时间均小于5分钟（基于2张Xeon6330 CPU的结果）。此外，对不同的噪声率，根据路径压制因子，从而很容易地推出对应算符期望值，与未修正的原始实验数据直接对比，表现出与实验结果很强的一致性。
研究针对含单比特Pauli型噪声的变分量子线路，考虑线路由Clifford门与任意比特单参数Pauli旋转门组成。研究人员发现，OBPPP能够实现此线路下算符期望值的高效近似，并保证有界的截断误差。研究团队在理论上证明了存在常数非零噪声率时，OBPPP的时间和空间复杂度与量子比特数n和电路深度L均呈多项式关系。数值上，通过对IBM 127量子比特Eagle处理器的经典模拟，验证了该方法在精度和运行速度上均优于量子硬件，能够准确模拟还原噪声影响下的实验结果。此外，该工作还细致地揭示了噪声与经典可模拟性的关系，展示了该方法在更广泛类别的量子电路中的适用性。
9月18日，相关研究成果以“模拟含噪声变分量子算法：一种多项式途径”（Simulating Noisy Variational Quantum Algorithms: A Polynomial Approach）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
清华大学丘成桐数学科学中心与北京雁栖湖应用数学研究院共同完成这项工作。论文第一作者为数学中心2020级博士生邵钰菓。刘正伟、程嵩为论文通讯作者。数学中心2021级博士生魏付川参与合作。
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