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近-term量子计算的多编程机制

1 引言

近年来，量子技术不断进步，IBM 发布了拥有 433 个量子比特的最大量子芯片。然而，当前的量子设备仍属于有噪声的中等规模量子（NISQ）硬件，存在一些物理限制。例如，对于超导设备，仅允许相邻的两个量子比特之间进行连接。此外，NISQ 设备的门操作存在噪声，且有不可避免的错误率。由于没有足够数量的量子比特来实现量子纠错，只有深度有限的小电路在量子硬件上执行时才能获得可靠的结果，这导致了硬件资源的浪费。

随着对量子硬件访问需求的增长，IBM、Rigetti 和 IonQ 等公司提供了云量子计算系统，使用户能够远程在量子机器上执行作业。但是，云量子计算系统存在一个限制，即作业提交和执行之间存在延迟。通常，量子设备上有大量作业等待执行，用户需要在队列中等待很长时间才能执行作业。例如，将一个电路提交到 IBM 公共量子芯片上，可能需要几天时间才能得到结果。

硬件利用率低和等待时间长引发了一个紧迫的问题：如何在保持电路输出保真度的同时更有效地使用量子硬件？随着硬件量子比特数量的增加和量子比特错误率的改善，多编程机制被提出以解决这个问题，也称为并行电路执行。通过同时执行多个电路，可以提高 NISQ 硬件的利用率。然而，结果表明，同时执行多个电路时，一个电路的活动可能会对其他电路的保真度产生负面影响，这是由于难以给每个电路分配可靠的区域、串扰错误的可能性更高等原因。

串扰是 NISQ 硬件中不可忽视的误差来源。当多个量子操作并行执行时，它会破坏量子比特的状态。多编程如果随意进行，会对保真度产生不利影响，但如果谨慎实施，它可以成为一种非常强大的技术，为重要的量子算法（如变分量子算法）实现并行执行。

主要贡献如下：