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前沿科技|《量⼦计算与应⽤》第1期

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  • 发布时间:2020-06-19 10:22
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【概要描述】在这本⾯向量⼦⼯程师,研究⼈员和科学家的有关量⼦计算和应⽤的研究笔记本中,我们将讨论并总结核⼼原理和量⼦计算的实际应⽤领域。  ⾸先,我们讨论量⼦计算是从早期的计算技术出现到现代微处理器的统治之前的历史情景。在最近⼗年中,随着摩尔定律的落幕,这⼀追求再次出现。通过考虑如何使⽤半导体和超导体,在多种物理系统(从原⼦到光⼦)中实现量⼦位,并将计算映射到物理系统的⼀种⾏为,这种全⽅位的思考和研究是⼀个历

前沿科技|《量⼦计算与应⽤》第1期

【概要描述】在这本⾯向量⼦⼯程师,研究⼈员和科学家的有关量⼦计算和应⽤的研究笔记本中,我们将讨论并总结核⼼原理和量⼦计算的实际应⽤领域。  ⾸先,我们讨论量⼦计算是从早期的计算技术出现到现代微处理器的统治之前的历史情景。在最近⼗年中,随着摩尔定律的落幕,这⼀追求再次出现。通过考虑如何使⽤半导体和超导体,在多种物理系统(从原⼦到光⼦)中实现量⼦位,并将计算映射到物理系统的⼀种⾏为,这种全⽅位的思考和研究是⼀个历

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  在这本⾯向量⼦⼯程师,研究⼈员和科学家的有关量⼦计算和应⽤的研究笔记本中,我们将讨论并总结核⼼原理和量⼦计算的实际应⽤领域。

  ⾸先,我们讨论量⼦计算是从早期的计算技术出现到现代微处理器的统治之前的历史情景。在最近⼗年中,随着摩尔定律的落幕,这⼀追求再次出现。通过考虑如何使⽤半导体和超导体,在多种物理系统(从原⼦到光⼦)中实现量⼦位,并将计算映射到物理系统的⼀种⾏为,这种全⽅位的思考和研究是⼀个历史挑战。由于这些新特性,计算算法也随着物理系统的各种变化以及在量⼦系统中对信息进⾏编码的可能性⽽发⽣了变化。我们还将考虑这些进步对⼯程,科学,技术,商业和社会的影响。我们将描述量⼦和经典计算范式之间的实质区别。

  之后,我们将讨论和理解实际量⼦计算系统开发⼈员当前⾯临的⼯程挑战。我们将评估量⼦计算机能够正常运⾏所需的必要技术。

  稍后,讨论潜在的业务应⽤程序,这些新的计算功能可以解决这个问题。尽管规模很⼩,但我们利⽤IBM Quantum Experience来解决实际问题。

1.量⼦计算和信息时代

  ⾸先,量⼦计算和信息处理⼀直是学术界和⼀些政府及⼯业实验室关⼼、研究的⼀种科学。它始于物理学,但是在过去的五年到⼗年中,它正在从科学研究过渡到技术的现实。在这个过渡时期,有许多问题需要解决。其中许多⼈的研究都属于⼯程⽅⾯。因此,今后,来⾃传统⼯程学科的⼈们将扮演重要⾓⾊。同时也创造了⼀个新术语—“量⼦⼯程”。此外,它正在将量⼦科学和传统⼯程学科联系起来。 两者都将不得不转向满⾜建造量⼦测试平台的需求,这将导致未来出现量⼦系统。 就背景⽽⾔,当今许多⼈,⽆论是受过量⼦物理学家培训还是受过量⼦⼯程师培训的,都在讨论其他学科。 希望是,随着我们前进,我们开始定义量⼦信息的⼯程⽅⾯,我们开始以⼯程师从物理学中抽象概念的⽅式来抽象它,从⽽使其成为⼀个⼯程和系统问题,并且这种情况发⽣在当前⼗年中,⼈们将能够在不了解底层深⼊量⼦物理学的情况下做出更多贡献。这么做的动机就是开始桥接量⼦科学和量⼦⼯程。从某种意义上说,量⼦计算机正开始⾛出学术实验室,在更⼤的⼈群中进⾏商业化使⽤。现在,它已成为计算机科学⽽不是停留在物理学家和数学家的领域。传统上,物理学家和数学家⼀直⾛在这⼀领域的前沿,现在它的⽬标是使计算机科学家和电⽓⼯程师达到同等⽔平,并且随着我们前进,以应对系统⼯程挑战。随着这些的出现计算机肯定会吸引更多的计算机科学家,软件程序员和电⽓领域的⼯程师。但是,这并不意味着物理学家和数学家会停⽌从事量⼦科学和理论⽅⾯的⼯作。因此,物理学家和数学家将继续积极参与这⼀新的计算开发。此外,为了增强并构建量⼦计算体验、提⾼内部⼯作成熟度、并将专业知识与经济效益进⾏有效地关联,有⼀些在线量⼦计算机可供开源使⽤和操作的案例。其中包括IBM Quantum Experience 、Rigetti拥有在线量⼦计算机、D- Wave在线量⼦计算机、⾕歌也在准备在线量⼦计算机。这些开放源代码可⽤性的影响和优势是关于可能在这些现有系统上运⾏的算法的众多讨论开始的,这些算法利⽤当前最先进的量⼦硬件功能对社会产⽣了影响。这些开放源代码可⽤性的影响和优势在于引发了⼈们开始了对现有系统上运⾏的算法的展开众多讨论,这些算法利⽤当前最先进的量⼦硬件功能对社会也产⽣了重⼤影响。我们还可以与⼤学和机构的教职员⼯和研究⽣进⾏交流。获得⼈才是发展的重要组成部分。如果我们有⼀些好的想法可以探索并且可以作为解决⽅案,那么我们可以直接与IBM,Rigetti,D-Wave和Google等公司合作在其系统上实施。因此,有⼀种⾃然的途径可以通过学术界进⼊量⼦信息领域。它从教育开始,从⽽进⼊现实领域,我们希望这是⼀种有效实⽤的想法,是前进的美好途径。以⽬前最先进的量⼦计算技术能⼒来看,我们今天可以计算出的和未来的量⼦计算潜⼒之间似乎没有太⼤的关系。那么,我们今天需要研究和担⼼量⼦计算吗?有⼀些领域会影响当今世界,其中之⼀是信息安全,这对每个⼈都很重要。我们不仅要在今天,⽽且要在未来⼏⼗年中确保信息安全。因此,我们写下并与我们的合作伙伴共享信息,例如业务战略,商业秘密,政府公报,个⼈信息,但又不想透露给其他⼈并遭到⿊客⼊侵。因此,我们对信息进⾏加密并在全球电⼦渠道上共享。当前,最先进的加密⽅案很强⼤,我们还没有量⼦计算能⼒,因此其他⼈⽆法解密信息,这是事实,但是在将来,我们将拥有量⼦计算能⼒,并且,今天共享和交流的信息可以在将来解密。我们希望知道今天的信息在未来多长时间内还能够得到保护。我们需要了解量⼦计算的含义,才能发现现在我们的信息加密漏洞。显然,这是⼀个重要⽅⾯。另⼀个重要⽅⾯是,⼤多数经济问题都可以归结为优化问题。如果要在复杂芯⽚中进⾏电路的布线和布局,我们需要对其进⾏优化。可能就像送货上门⼀样简单。我们想选择最短的路径,有许多优化问题的例⼦。我们将能够确定组织中的某些问题,这些问题可能会受益于量⼦计算,这显然与分解⽆关,⽽与优化或量⼦模拟或量⼦仿真有更紧密相关。这些都是我们要考虑和探索的解决⽅案的问题,因为在将来,量⼦计算机将对我们的⽣活产⽣影响。

  量⼦计算不会取代经典计算。我们将始终需要⼀台经典计算机在其旁边运⾏和控制它。⾄少按照我们今天的理解,量⼦计算机⽐经典计算机更有效地解决了我们今天所知道的特定问题。但是,这些问题并不⼀定是我们希望在经典计算机上运⾏的类型。最好的说法是:量⼦计算机可以运⾏我们在传统计算机上运⾏的任何算法。但是,它可能做不到⽐现在传统计算机做的更好。因此,在可预见的将来,我们认为量⼦计算机将部署在云中,或者我们可以将它们视为⼀种⼤型主机型计算机。我们将其⽤于解决诸如量⼦仿真之类的问题。在不久的将来,特别是在我们能够制造出完全纠错,完全抗错的量⼦计算机之前,我们将使⽤有缺陷的量⼦位。因此,我们本⾝⽆法进⾏⾮常⾮常长的计算。因此,很可能我们最先看到量⼦计算机是作为作为经典计算机的核⼼处理器的加速器,经典计算机⽤来运⾏和编排总体算法。然后,它会调动量⼦节点进⾏计算,并定期获得问题的⼀⼩部分⼦问题的答案,并采⽤返回的该答案, 然后将其合并到正在运⾏的更⼤算法中。所以确实是这样,⾄少在在可预见的未来,量⼦计算机很可能会与经典计算机⼀起⼯作。在经典的数字计算机上,数字和门电路每秒被应⽤了⼗亿次。量⼦计算机上类似的基本操作是什么?

  下⼀个挑战是解决⼦模块的⼤规模量⼦计算问题。因此,有可能使⽤量⼦⽹络或其他⽅法吗?像集群计算机可以模拟⼀个1,000量⼦位的系统,但是只能使⽤20个这样的⼦单元每50量⼦位,这就是模块化的概念。这是⼀个活跃的研究领域。未来的期望是我们将在建⽴的任何⼤型qubits系统中添加类似于模块化的内容。在经典计算机系统中,由于它们的复杂性,因此在构建这些系统时总会看到某种程度的模块化。作为量⼦计算的早期阶段,我们正在使⽤个别有缺陷的量⼦位,并试图通过容错和纠错来解决这⼀问题,对此已经有了⼀条完整的研究思路。但是,实现和应⽤将需要⼀些时间。与此同时,我们正在审视这种混沌的系统,并从这种混沌现象中派⽣出中级量⼦计算的概念,即在我们今天或在可预见的将来,通过使⽤的量⼦⽐特来进⾏的量⼦计算,这是相当不错的主意,但并不是好到⾜以保障我们可以从头到尾 地、完整地完成计算。因此,这些NISQ 量⼦计算机很可能是50到100量⼦位的集群,并且很有可能是与经典计算机⼀起运⾏的协处理器,其中经典计算机将拉动这些量⼦⼦系统或提出问题多次访问此⼦模块并获取和汇总这些答案,通过标记⼦问题达到解决总体问题的⽬标。当然,这是我们可以想象将模块化集成到量⼦计算机中的⼀种⽅式。在被捕获的离⼦中,还有其他例⼦,例如超导量⼦位,以被捕获的离⼦为例,单个离⼦阱可以保持100量⼦位的数量级。但是,要达到1,000量⼦⽐特,这已经超出了任何单个陷阱所能容纳和容纳的范围。因此,我们的想法是建⽴100量⼦位离⼦阱,然后使⽤激光和缠结在它们之间进⾏通信,以运⾏由这些较⼩模块组成的⼤型计算机。QCI正在为超导量⼦⽐特开发⼀个类似的概念,在那⾥我们有⼀个微波腔。在此腔体内,我们可以编码多个qubit值的信息,⽽不管该腔体内的⼏种模式,还是信息以复杂的Ket状态存储。然⽽,然后这些谐振器将彼此相⼲耦合以制造更⼤规模的量⼦计算机。因此,随着我们构建更⼤的模块,模块化将成为未来量⼦计算系统的⼀部分。

  现在,除了量⼦系统硬件以外,量⼦编程语⾔也在积极发展。软件堆栈的开发有很多活动。每个正在研究量⼦计算的主要⼯业公司都在开发它,IBM拥有其Qiskit ,Google或Rigetti ,以及Microsoft,它们都在开发软件平台并解决软件堆栈中的各个层次,⽆论实时控制物理量⼦层⾯、硬件层⾯的软件、还是解释由⽤户编写的试图实施量⼦算法的编译器,这种编译器软件可以将并将⽤户编写的程序编译为量⼦计算机运⾏所需要的指令集。因此,在编程领域有很多研究活动,在⼯业领域和⼤学中都有⼀些针对这些任务的学术计划。我们希望这些研究活动将继续下去,不仅因为有许多⼯作要做,⽽且还因为量⼦计算机本⾝将随着每⼀代的发展⽽成熟。⽽且,随着它们的成熟,量⼦编程语⾔也将成熟。

  软件开发的另⼀⽅⾯,与实现算法不直接相关,但同等重要,并且与⾮常基本的硬件迭代的开发相关。设计量⼦计算机所需的电⼦设计⾃动化(EDA)类型设计软件。现有的模拟器可以模拟超导芯⽚或半导体芯⽚的电磁场,或者模拟它的布局优化器,通过采⽤量⼦电路的GDS⽂件设计,模拟该量⼦电路以了解它是否或⾄少具备哪些电磁⾏为的⽅式特点。所有这些都是设计实际系统的必要⽅⾯。因此,这是正在进⾏软件开发的另⼀个领域。可以说,随着第⼀台商⽤量⼦计算机IBM Quantum System One的推出,量⼦计算已经从实验室中脱颖⽽出,并且将成为计算机科学家,软件程序员和电⽓⼯程师的不容置疑的领域。当然还包括物理学家和数学家。IBM量⼦系统是第⼀台可商⽤的通⽤门模型量⼦计算机。D-Wave系统也已经存在了⼏年。这也可以说是量⼦硬件化过程中的⼀种商业服务。

  我们将⾸先介绍现有的量⼦计算设备的类型。我们还将介绍经典电⼦计算的历史。然后我们⽐较⼀下到今天的量⼦计算。我们研究了量⼦门,单量⼦位门,双量⼦位门,以及它们如何在通⽤量⼦算法中使⽤。我们讨论量⼦⼲扰和量⼦并⾏性以及量⼦计算机强⼤功能的基础。我们来看量⼦模拟或仿真,量⼦硬件设备的⽰例,和通⽤门模型量⼦计算机。我们还将讨论量⼦位模态及其性能。因此,我们从量⼦计算机的DiVincenzo标准开始。我们会讨论量⼦位的鲁棒性和相⼲时间。我们还将讨论登机时间如何关键,并引⼊了称为门保真度的qubit度量。然后,我们⽐较不同的相互对抗的⽅式。我们还将调查其中的⼀些问题,包括缺陷中⼼,离⼦阱,超导量⼦位,半导体量⼦位。我们将专注于捕获的离⼦和超导量⼦位。我们正在看量⼦计算的前景,以及前景中量⼦通信,以及量⼦优势和算法。我们看电路模型,看看Deutsch- Jozsa量⼦算法。最后,我们将讨论关于量⼦计算领域的各个⾏业参与者的讨论和量⼦计算的观点,我们讨论了IBM,Google,微软,IonQ,Rigetti ,QCI 和D-WaveSystems 。接下来,我们将查看电路模型并讨论Deutsch-Jozsa量⼦算法。然后我们将申请Deutsch-Jozsa算法并在IBM Quantum Experience上运⾏它。

  2.量⼦计算

  我们每天在新闻和⼤众媒体中讨论量⼦计算机。量⼦计算令⼈兴奋。据说量⼦计算机将解决某些类型的问题。对于⼈类⽽⾔,极为重要的问题是当今⽤计算机⽆法解决甚⾄⽆法解决的问题。我们将讨论药品和药物开发。我们对⾼温超导体,机器学习的新⽅法,⼈⼯智能,优化问题和技术⾦融服务等新材料有了更好的了解。量⼦计算机甚⾄将挑战并改变我们安全地传递信息的⽅式。⽆疑,这是⼀个美好⽽令⼈兴奋的未来,这使我们提出了⼀些基本问题。量⼦计算机到底是什么,它的合适应⽤是什么?更重要的是,我们什么时候会有⼀个?量⼦计算机不仅仅是经典计算机的更⼩,更快的版本。它们根本不同。在数字计算机世界中,作为信息基本要素的位为零或⼀。在量⼦计算机中,我们可以有⼀个量⼦⽐特或qubit,它是零和⼀的叠加。我们可以设计和控制它们。我们正在设计和操纵量⼦⼒学。因此,当我们拥有⼀台量⼦计算机时,这是⼀个引⼈⼊胜的细微问题。⽽且,答案将是挑剔的。我们⼀直在说量⼦计算机已经⼗年了。我们已经说了⼏⼗年了。根据定义,我们已经有量⼦计算机,但是它们很⼩。现在距离量⼦时代还不到⼏⼗年或⼀个世纪。量⼦计算机不仅是我们今天拥有的传统计算机的更快,更⼩的版本。它们也不是摩尔定律发展中的又⼀个增量步骤。取⽽代之的是,量⼦计算机代表了⼀种新型的,根本不同的计算范式,它对某些类型的重要问题具有巨⼤的优势。量⼦计算可以改变存在重⼤优化问题的⾏业。我们需要做出许多离散或⼆进制决策,是先执⾏还是先执⾏。了解经典计算机和量⼦计算机之间区别的另⼀种⽅法是查看量⼦模拟的量⼦系统。量⼦处理器是⽤于对其他量⼦系统建模的合适⼯具。⽣物分⼦系统和我们使⽤的其他⼤量系统,是基于那些量⼦⼒学性质⽽基本运⾏的材料系统。 我们需要⼀个量⼦机器来模拟量⼦效应。 当我们可以操纵单个分⼦并了解这些分⼦中发⽣的事情,它们如何键合时,我们将能够很好地处理可能⾮常有⽤的新事物和新颖材料的产⽣。尽管如此,我们还只是量⼦计算发展的开始。组装和测试原型处理器。这有点像1950年代基于晶体管的计算的曙光。此外,正如集成电路引发上世纪的信息处理⾰命,推动经济增长和⽣产⼒发展⼀样,当今许多⼈认为量⼦计算将对本世纪产⽣类似的影响。量⼦计算和量⼦算法从根本上提出了新的编程和算法设计范例。我们如何从根本上释放计算中的新想法?我们仍在讨论许多有关如何改进各个组件并将其连接的问题。我们正在寻求增加这些量⼦位的复杂性和功能性。我们在新⾰命的开始就在这⾥。我们发现这⾮常令⼈兴奋。这⾥的⽬标是将承诺与炒作分开,并从技术上理解量⼦计算⼯作原理及其应⽤的基础。我们将从关注这些基础开始。

  量⼦计算机不仅是当今计算机的更⼩,更快的版本。相反,它们代表了处理信息的根本新范例。在诸如⼈类和企业等重要领域的问题上,它们可以超越传统计算机的性能,例如:

  •⽹络安全  •材料科学  •化学  •制药  •机器学习  •优化等。

3.量⼦计算机概述

  在过去的80年中,经典的计算机发⽣了巨⼤的变化,从像ENIAC这样的充满真空管的计算机开始(图1)

  当前,量⼦计算机正处于研究和原型设计阶段,看起来⽐笔记本电脑或平板电脑更像ENIAC。他们经常使⽤各种机器和⼯具来占据整个实验室空间,以容纳和操作量⼦计算机的核⼼。围绕量⼦计算“核⼼”的基础架构的⼀部分对于保护量⼦计算机免受电磁噪声,机械振动,热和其他噪声源的损害是必要的,电磁噪声,机械振动,热和其他噪声源往往会降低性能。另⼀部分,包括常规的“经典”计算机,电⼦设备和光学系统,⽤于控制量⼦计算机,实现算法并读出结果。

  图2:研究级的超导量⼦处理器。处理器位于悬挂在⽀撑结构上的⽩⾊稀释冰箱内部。冰箱将处理器冷却⾄运⾏所需的毫开⽒温度;资料来源:IBM

  图3:稀释冰箱;来源:IBM

    

  图4:超导量⼦处理器;来源:IBM

  图5:超导量⼦位元;来源:IBM

 

  图6:超导量⼦退⽕炉;来源:D-Wave

  在上图中,我们看到了⼀个⼤型研究级“稀释冰箱”,⽤于容纳和冷却原型超导量⼦处理器。需要制冷以将量⼦芯⽚冷却到⼩于20毫开⽒温度的⼯作温度,该温度⽐外部空间冷100倍以上。冰箱还⽤于减少热负荷和噪声,否则这些热负荷和噪声会降低性能,这在很⼤程度上是由于通过各种类型的电缆连接⾄芯⽚的室温电⼦设备引起 的。冰箱的左侧是此类电⼦设备的机架,包括任意波形发⽣器,微波信号发⽣器和⽤于控制处理器的电流源。

  图7:Google系统;来源:Google

  在下图中,我们看到⼀个光学平台,其上放着⼀个⼤⿊匣⼦,上⾯装有⽤于控制和测量俘获离⼦量⼦计算机的光学系统[53]。 被困的离⼦计算机“核⼼”本⾝可能位于3-4开⽒温度左右的低温室内,获得和维持超⾼真空的温度类似于外部空间(尽管这不是必需的)。⾼稳定性激光器通过各种镜⼦,分束器,光学调制器等发出光,以寻址和读取构成量⼦计算机的各个离⼦。

  图8:⾕歌超导量⼦处理器;来源:⾕歌

  图9:俘获离⼦量⼦计算机;资料来源:IonQ

  图10:俘获离⼦量⼦计算机;资料来源:联合量⼦研究所

  图11:霍尼韦尔的离⼦阱量⼦;资料来源:霍尼韦尔

  图12:被困离⼦量⼦计算机;资料来源:NIST

  图13:QPU(量⼦处理单元);资料来源:⾥格蒂

    

  图14:带有硅芯⽚的镀⾦铜盘;资料来源:⾥格蒂

  图15:49个量⼦位超导量⼦处理器Tangle Lake;资料来源:英特尔

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