与 Claude 一起设计更高效的量子电路

量子计算机需要精心设计的电路才能在有限的硬件上运行有用的算法。我们为克劳德提供了八个这样的电路的简单语言规范，这些规范来自化学、优化、物理模拟和数论，以及一个对每个设计进行检查和评分的自动评估器。克劳德主要靠自己工作，发现设计可以改进最好的已发布电路，在某些情况下可以提高一个数量级或更多。这些改进大大减少了有用应用所需的量子资源，因此实用的量子计算机可能比之前预期的更早到来。这项工作由 Anthropic 的 STEM 研究员计划的一部分由 Andi Gu 领导，并得到 Anthropic 量子物理学家 Alek Kemeny 的指导，并与 Susanne Yelin（哈佛大学）和 Mikhail Lukin（哈佛大学和 QuEra 计算公司）合作。阅读 arXiv 上的全文。与经典计算机以值为 0 或 1 的位存储信息不同，量子计算机以量子位存储信息，量子位可以由单个原子、超导电路或光粒子构建。这些量子位利用叠加等量子现象（允许量子系统同时以多种状态组合存在）来处理信息，使化学、材料科学和数论等领域的某些问题变得易于处理，即使这些问题对于传统计算机来说太难了。迄今为止，该领域构建的量子计算机只有数百到数千个量子位，太少，无法运行许多比经典计算机具有实际优势的算法。这些量子位对环境噪声高度敏感，例如热、振动，甚至宇宙射线。微小的干扰都会改变量子位的状态，这些小错误会不断累积，直到计算机给出错误的答案。鉴于量子位和计算时间都是稀缺资源，研究人员一直致力于重新设计量子算法，以使用更少的量子位并在更短的时间内完成计算。一个说明性的例子是模拟 FeMoco，这是固氮酶核心的铁硫簇，细菌利用这种酶将空气中的氮转化为氨。了解它的工作原理可以帮助科学家设计更好的工业催化剂——制造商用来加速化学反应的物质。 2017 年，研究人员估计，量子计算机将需要大约 50 万亿个 Toffoli 门来计算 FeMoco 的基态能量（其最稳定构型的能量），化学家需要它来预测 FeMoco 如何反应。 （与普通计算机类似，量子计算机通过将一长串简单操作（称为门）应用于其量子位来工作。Toffoli 门是运行成本最高的门之一，因此计算 Toffoli 门是估计计算所需时间的标准方法。）通过一系列算法的进步，门的估计数量已降至约 3.4 亿个，大约减少了 15 万倍，相当于未来几个小时的计算拥有大约三百万个物理量子位的机器。 1 这些减少主要来自重新设计执行计算的电路，而不是制造更好的硬件。事实证明，克劳德特别擅长优化经典算法，因此我们想看看如果只给出每个电路必须计算的内容的简单语言描述，它是否可以对量子算法做同样的事情。出于多种原因，克劳德非常适合这项任务。首先，量子算法被实现为量子电路。它们由门序列组成，就像上面提到的托弗里门一样。重要的是，这些电路可以用代码来描述，因此我们可以利用克劳德的编码能力，像普通程序一样编写、运行和修改电路设计。其次，我们最感兴趣的优化一类（相当常见的）量子算法可以有效地测试其正确性，因为每个输入都会给出一个普通计算机可以检查的明确输出。这意味着我们可以有一个外部评估程序来验证克劳德的提案。最后，我们可以给 Claude 一个清晰、客观的分数来改进：使用的量子位数量乘以门的数量，它可以作为电路运行时间的代理。我们发现 Claude Mythos 5 可以成功地在闭环中工作，提出电路设计，从评估程序接收反馈和分数，并使用该反馈来改进其下一次尝试，而各轮之间无需人工输入（见图 1）。在化学、优化、量子模拟、数论和数值计算的八种计算原语（构建较大量子算法的基本例程）中，克劳德发现了新颖的设计，这些设计比之前发布的最佳设计使用了更少的量子位和更少的门。