近 term 量子计算机模拟容量的实证确定

可实验实现的量子计算机正迅速接近量子霸权的阈值。量子哈密顿量模拟有望成为此类设备能够对所有经典系统展示优势的首批实际应用之一。然而，这些早期设备将不可避免地保持噪声且规模小，排除了使用量子纠错的可能。我们使用高性能经典工具来构建、优化和模拟受现实误差模型约束的量子电路，以实证确定通过量子信号处理（QSP）实现的近 term 模拟实验的“模拟容量”，描述模拟时间、系统规模和QSP电路分辨率之间的关系，这些电路经过最优配置以平衡算法精度与外部噪声。根据模拟容量模型，我们估计了近 term 量子计算机上有意义模拟实验的最大可容忍错误率。通过利用QSP电路固有的对称性，我们进一步证明，若错误是系统性的且幺正的，其量子模拟容量可提升至少两个数量级。我们发现，具有$\epsilon^2=10^{-5}$系统性幅度误差的设备可以有意义地模拟至多$n\approx16$的系统，期望失败率低于$10\%$，而具有随机错误率$p_\epsilon=10^{-5}$的设备以相同失败率能有意义的模拟的最大系统在$n=3$到$n=5$之间（取决于随机信道）。根据实证结果外推，我们估计通常需随机错误率低于$p_\epsilon=10^{-8}$才能以低于$10\%$的失败率执行有意义的$n=50$模拟实验，而相同实验可容忍强度为$\epsilon^2\approx10^{-6}$的系统性幺正误差。