可表达性、噪声与误差缓解在VQE拟设选择中的作用
变分量子特征求解器(VQE)是近期量子化学应用中一种有前景的算法,但选择最优的试探电路仍具挑战性。可表达性作为衡量电路探索希尔伯特空间能力的指标,曾被提出用于指导试探电路选择,但近期研究表明,在实际噪声下,该指标对H₂的VQE性能预测并不一致。该团队将此研究扩展至H₂和H₃⁺两种分子,涵盖四种执行场景:理想、有噪声、采用零噪声外推(ZNE)的噪声环境以及采用概率误差消除(PEC)的噪声环境。研究发现误差缓解并未可靠恢复可表达性的预测能力。ZNE仅对12个H₂电路中的4个和6个H₃⁺电路中的4个降低了误差,而PEC反而使12个H₂电路中的11个和所有6个H₃⁺电路的误差增加。研究人员复现并扩展了Saib等人关于电路排序在噪声下发生混乱的关键发现(理想排序与噪声排序间的斯皮尔曼ρ≈-0.1),并识别出一项新结论:ZNE基本保留了噪声排序(H₂的ρ=+0.80),而PEC则主动重新排序(ρ=-0.22)。基于密度矩阵模拟计算的噪声可表达性对H₃⁺的无缓解性能具有强预测力(皮尔逊r=+0.91,p=0.01),但该指标在大规模计算中不可行。团队证明,诸如双量子比特门计数等零成本电路拓扑指标,对PEC退化提供了相当或更优的预测能力(H₃⁺的r=+0.96),而标准可表达性则最优地预测了H₂的噪声与ZNE性能(r分别为+0.74和+0.77)。

