莱斯大学的一位计算机科学家和他的同事提出了一种加速和简化量子计算机诊断任务的方法。

今年加入赖斯的计算机科学助理教授阿纳斯塔西奥斯·基里利迪斯(Anastasios Kyrillidis)领导开发了一种非常规方法，作为强大的下一代计算机的诊断工具，这种计算机依赖于量子比特的怪异行为 - 即量子比特 - 这是按照与传统计算机中的1和0不同的规则运行的交换机。

量子计算机利用量子力学的原理来快速解决传统超级计算机上需要更长时间的难题。他们承诺在药物设计，先进材料，密码学和人工智能方面的未来突破。

Kyrillidis及其团队的一篇开放获取论文刊登在自然杂志量子信息中。

与任何新硬件一样，Kyrillidis说，量子计算机系统容易出现需要被压扁的错误。这需要持续测试以验证其功能。他说，量子计算机的复杂性在每一点都呈指数级增长，需要大量的验证。

Kyrillidis的方法主要关注量子状态断层扫描，这是一个受医学断层扫描启发的过程，其中身体的图像被切片捕获，然后被重新组装成三维地图。他说，量子态断层扫描不同，因为它需要量子计算机量子比特状态的“图像”。

“当量子计算机执行算法时，它会从特定状态开始;将其视为算法的输入，”Kyrillidis说。“当计算机通过算法的步骤前进时，它会经历许多状态。最后的状态是你的算法问题的答案。”

通过重新组装这些测量的完整状态，Kyrillidis表示可以稍后查明可能导致计算机产生意外结果的硬件或软件错误。

他说，这需要大量的测量，重建的计算成本可能很高，即使对于经典计算机也是如此。基于层析成像的量子计算机分析，即使只有五或六个量子比特，也不会在某种程度上简化任务 - 而最先进的机器有50个量子比特或更多。

量子比特是量子计算机中的基本信息单位。像经典计算机中的一点，每个量子位可以表示1或0.与位不同，量子位也可以同时表示1和0，称为叠加的状态，指数级地增加量子位阵列可以一次执行的计算次数。为了使其更有趣，由磁极化或电子自旋确定的量子位的状态仅在测量时存在。

Kyrillidis表示，即使计算机中的量子比特数量适度增加也会大大增加其功率。

“在具有五个量子比特的系统中，状态可以用2到5倍的2到5矩阵表示，因此它是32×32矩阵，”他说。“这并不大。但在像IBM那样的20-qubit系统中，状态可以用百万分之一的矩阵表征。如果我们用常规断层扫描技术进行全面测量，我们需要轮询系统大约一百万平方的时间，以获得足够的信息来恢复其状态。“

Kyrillidis和他的团队用他们称为Projected Factored Gradient Decent(ProjFGD)的算法解决了验证问题。它利用压缩感知，这种方法可以最大限度地减少传入数据量，同时仍能确保准确的结果。他说，这种方法可以将20-qubit系统的测量数量减少到百万左右。“这仍然是一个很大的数字，但远小于一百万平方，”他说。

Kyrillidis指出，在他来到赖斯之前，他曾在研究科学家工作了一年，他已经将量子计算机放入云中，任何人都可以访问它并运行程序。他说公司的原因是现在越多人学习量子计算机的编程，他们的技能在平台成熟时就越成熟。但是对他来说有一个好处，因为它为他提供了一个测试ProjFGD的现成平台。

“量子态断层扫描工具是通用的，更多地与量子比特的性质有关，而不是特定的架构，”Kyrillidis说。“随着量子计算机变得越来越强大，它绝对可以扩展到认证系统。”

共同作者是马里兰大学的Amir Kalev，Facebook的Dohyung Park，芝加哥丰田技术学院的Srinadh Bhojanapalli，以及德克萨斯大学奥斯汀分校的Constantine Caramanis和Sujay Sanghavi。

IBM Goldstine奖学金和国防部支持该研究。