变分偏微分方程约束电路在噪声硬件上的量子误差缓解策略

近期量子硬件上用于求解偏微分方程(PDE)的变分量子电路(VQC)面临关键挑战:硬件噪声会降低解算精度并破坏收敛性。该研究系统分析了热传导方程、Burgers方程及Saint-Venant浅水方程约束下VQC的三种噪声通道(退极化、振幅阻尼和比特翻转)影响,并基准测试了三种误差缓解策略:基于Richardson多项式拟合的零噪声外推法(ZNE)、概率误差消除法(PEC)以及通过逆混淆矩阵实现的测量误差校正。在6量子比特4层电路上的数值实验表明,低噪声水平(p=0.001)时ZNE能降低82-96%的绝对误差,其有效性随噪声增强而适度递减。理论分析和数值验证证实:物理约束电路具有固有抗噪性——当p=0.01时,约束电路比无约束电路保持25-47%更高的保真度,且该优势随PDE复杂度提升而扩大。PEC在低门数量时提供近乎精确的校正,但会产生指数级采样开销,当p≥0.02时门数超过约60即失去实用性。误差预算分解显示:系统误差在所有噪声水平均占主导(43-58%),而PDE残差分量随噪声增强从~10%增至~31%,表明物理约束通过结构化梯度信息吸收噪声。这些结果为在含噪中等规模量子(NISQ)硬件上部署变分PDE求解器提供了实用准则。

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提交arXiv: 2026-04-11 08:45

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