NISQ 时代与基准测试

NISQ（noisy intermediate-scale quantum，Preskill 2018）指当下到容错之前的阶段：芯片有 10²–10³ 个物理量子比特，但没有（或仅有最小规模的）量子纠错，电路深度受退相干与门错误严格限制。这一时代算法设计的主旋律是变分量子算法与量子模拟——浅电路、对噪声有一定韧性。

常用基准测试：

• 随机基准（randomized benchmarking）：随机 Clifford 序列的指数衰减拟合出平均门错误率，不依赖态制备/读出（SPAM）精度；
• 量子体积（quantum volume, IBM）：宽度=深度的方形随机电路成功运行的最大规模 $V=2^n$，综合反映比特数、连接性与错误率；
• 交叉熵基准（XEB，Google 2019 量子优越性实验）：随机电路采样结果与理想分布的交叉熵差异，也被用作量子概率采样类任务的难度度量；
• 逻辑比特时代的界碑则是逻辑错误率超过物理门、随码距指数下降（见表面码）等新基准。

要点

• NISQ 算法的现实约束：电路深度 $\sim$ 相干时间/门时间；数据加载（见量子数据编码与 QRAM 的批判讨论）与读出（期望值估计的 $1/{ϵ}^2$ 采样）常是隐藏瓶颈。
• 噪声下的算法分析工具：零噪声外推、概率误差抵消等误差缓解技术（不增加比特、只在软件侧外推掉偏差，代价是采样数暴涨），以及量子噪声模型的信道语言；误差缓解与纠错的分界：缓解不修复硬件、只修统计。
• 从 NISQ 到容错的界碑：低于阈值的纠错演示（表面码条目）与逻辑比特数量增长；“误差缓解 → 早期纠错 → 全容错”被普遍视为过渡三步曲。

关联词条

• 概念：量子计算硬件实现、退相干、变分量子算法
• 算法：量子数据编码、贫瘠高原

参考文献

• J. Preskill. Quantum Computing in the NISQ Era and Beyond. Quantum 2, 79 (2018). arXiv:1801.00862
• F. Arute et al. Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor. Nature 574, 505 (2019).
• K. Bharti et al. Noisy Intermediate-Scale Quantum Algorithms. Rev. Mod. Phys. 94, 015004 (2022). arXiv:2101.08448