量子计算的基础知识 - 一个教程

文章：Carolyn Mathas

在经典计算中，不确定性是不可接受的。然而，对于量子计算机来说，这是一种资产。量子计算机有一种与生俱来的能力来了解世界，处理概率，因为他们探索多个答案，提出复杂的决定。

什么是量子计算？

当解决涉及大量输入的数字或数据时，量子计算机就会光芒四射。它们被设计用来解决复杂的问题，这些问题需要超级计算机花费几天的时间才能解决。量子计算机可以用与电子或质子相同的语言来模拟宇宙中的亚原子粒子。我们正处于量子计算范式的开端，这一范式有望对我们掌握化学、生物学和物理学产生重大影响。

虽然有趣的虽然，它们的速度不如古典计算机，他们确实更快地执行了特定类型的计算。每个操作可能更快，但是使用特定算法到达结果所需的操作的数量是指数较小的。

它是如何工作的

我们都习惯了使用晶体管处理器进行计算的二进制计算机。开，关，一，零…很容易猜到。然而，随着量子计算机的出现，游戏完全改变了。在这一领域，经典系统中1和0的处理和存储让位给了量子比特或量子比特，它们是量子信息的基本组成部分，被视为一个双态量子力学系统。这些量子位的能力是它们固有的指数级伸缩能力，因此一个双量子位的机器可以同时进行4次计算，一个三量子位的机器可以同时进行8次计算，而一个四量子位的机器可以同时执行16次计算。

量子计算的基本性质是叠加、纠缠和干涉。

叠加是量子系统同时处于多种状态的能力。叠加的例子是抛硬币，它总是以正面或反面的形式落下——一个非常二元的概念。然而，当硬币在半空中时，它既是正面也是反面，直到它落地，也是正面和反面同时出现。在测量之前，电子以量子叠加的形式存在。

纠缠因为量子特性是通过永久纠缠物体将它们连接起来。当向量子计算机添加一个额外的量子位时，一台50腕尺的量子机器可以同时检查2 ^ 50的状态。功率的增加加上量子位元的纠缠使得量子计算机能够有效地解决问题，更快地找到解决方案，而且计算量要少得多。

干扰可以用来控制量子态并放大通向正确答案的信号，同时抵消导致错误答案的信号。

相干/脱散量子计算机对噪音和环境影响极为敏感。不幸的是，信息只能在很长一段时间内保持量子状态。因此，在信息丢失之前可以执行的操作数量是有限的。提前知道量子信息在脱离相干之前将持续多久是至关重要的。

量子芯片必须保持比外太空更冷的温度，以便尽可能长时间地制造量子比特的叠加和纠缠以及保持。与稀释制冷机内的量子位的通信是通过使用校准的微波脉冲来完成的，这样量子位就会被叠加，或者通过在两个量子位之间施加微波脉冲，量子位的状态就会从0变为1。微波信号也会引起纠缠。为了找到一个解决方案，问题的一部分被编码到一个复杂的量子态中，这个状态被操纵，使它更接近一个解决方案——但它需要多次操作才能得到最佳的解决方案。

当量子计算机提供答案时，它是以概率的形式出现的。当问题重复时，答案就会改变。问题重复的次数越多，回答就越接近理论百分比或正确答案。这就要求对编码进行设计，使量子位处于针对给定问题的正确状态。量子密码使用类似波的性质，可以抵消错误答案，放大正确答案。

应用程序

随着该技术的发展，量子计算可能导致众多领域的显着进展，从化学和材料科学到核物理和机器学习。最高应用程序包括：

把你的手拿上去

那么，如何开始量子计算呢?根据IBM杰出的研究人员、IBM研究部门量子计算软件高级经理Marco Pistoia博士的说法，“工程师应该首先熟悉量子计算的基础知识，比如叠加和纠缠的概念。”

通过云服务，在线课程，包括一些免费课程，正开始如雨后春笋般涌现。无论你是否需要为你的职业未来利用技术，或者你只是对它的能力感到好奇，你都可以参与进来并尝试一下这项技术。虽然这是技术发展的早期阶段，但全球都可以使用量子计算机。下面是一些可以开始的方法。

IBM.

“为了使Quantum Computing更易于科学家，工程师，甚至学生，IBM推出了公众，基于云IBM问经验，以及开源Qiskit平台，通过它可以访问真正的量子硬件。量子程序可以用Python编写，”皮斯托亚博士说。迄今为止，超过14.5万用户在IBM Q Experience系统上运行了超过1000万次实验，发表了170多篇相关研究论文。这种广泛的全球互动在当前所谓的噪声中等规模量子(NISQ)时代至关重要，在这个时代，实践者已经可以在量子计算机上执行实验，并学习量子计算编程模型。”不要担心自己是初学者;有多种可用的用户指南，包括一个为初学者。

递波

D-Wave Systems Inc.致力于一种退火结构而不是通用超导技术。递波的飞跃允许任何人每月在云连接的2000Q上注册并获得一分钟的空闲时间。由于量子计算可以在毫秒内解决问题，包括分解大量的因子，优化路线，或者计算分子结构，一分钟的时间是相当宽裕的。

重金属计算

Rigetti的森林SDK是一种轻量级，可下载的SDK，它包含强大的QVM并在本地机器上运行。这是使用量子编程开始的好方法，并使用户能够实现在不到10行代码中创建量子纠缠。开始并访问各种资源在这里。

我们今天在哪里？

头条新闻不断证实了量子计算领域的快速发展。量子计算的批评者和支持者也纷纷加入，自然，风险资本家也有了他们的支票簿，尽管量子计算还没有完成任何在经典计算机上无法完成的事情。

涉及的公司代表了谁是技术的谁。IBM，Google，Intel，Microsoft，D-Wave系统和Rigetti Computing仅代表少数。该行业也很广泛开放初创公司。

D-Wave Systems Inc.为需要基于高水平推理做出决策的应用提供了一种独特的量子退火方法。他们的解决方案通过专注于优化来获得最低能量的解决方案。D-Wave最近宣布了他们最“低调”的参赛作品Pegasus.，并提供实时在线量子计算环境Leap。Leap是D-Wave的最新成员量子云服务为使用计算机的几乎任何人虚拟化量子计算和使用宽带连接。

虽然英特尔不是早期的球员，它正在筹集部门。最近的两个贡献包括纠结湖荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)正在测试一个完整的由测试芯片组成的硅片，每个芯片包含多达26个量子位元，这些量子位元依赖于单个电子的自旋。

图2.IBM Q系统一个。资料来源：IBM.

今年早些时候,IBM.宣布了该行业的第一个商业系统问系统一只适用于IBM Q Network.组织。IBM Q通过基于云的IBM Q体验和商业IBM Q网络平台推出可编程通用量子计算，用于商业和科学应用程序。该公司索赔其Q系统是稳定性和商业研究的一步。它还与可用于预测气候模型和电网管理的网络上的exxon Mobil合作。

在脚跟上谷歌的72年量子位狐尾量子处理器可在云中使用Cirq，谷歌还发布了一个用于量子计算机上的运行算法的开源框架OpenFermion和OpenFermion-Cirq，一个为Cirq编译量子模拟算法的开源库。谷歌声称，当一个量子设备执行一个经典超级计算机在合理时间内无法完成的任务时，狐尾酮将很快实现量子霸权。

图3.低温环境中的量子计算机芯片。图像礼貌的是重金属计算。照片由justin fantl。

重金属计算的新量子云服务(qc)包括森林是一个用于云中量子编程的软件工具包。RIGETTI还推出了它声称的是世界上最强大的量子处理器，这是一个128个QUBBit模型，顶层谷歌的72个Qubit Bristlecone芯片。要开始，QCS用户将仅限于16个Qubit芯片，而且该服务也将仅限于Rigetti的某些客户和合作伙伴，在2019年后延迟广泛可用。处理器可以在其上运行量度算法20至50倍。QCS比目前的云设置，很快就加快了。Rigetti还说它发现了一个甜蜜的地方，Qubits对噪音不太敏感，操作一个带有99.2％的双奎斯特盖茨。

超越至高无上

虽然人们对量子计算机的前景非常兴奋，但有些人说，真正相关的机器可能还需要几十年。然而，进步是迅速的，可能会更快。摩尔定律不适用于量子计算。相反，量子计算机遵循量子物理定律，而不是摩尔的领域，这可能会给我们发展速度的提示。根据最近的一篇文章广达电脑杂志作者:Kevin Hartnett，谷歌量子人工智能实验室主任，Hartmut Neven首先提出了Neven定律，他说相对于经典计算机，量子计算机正在以“双指数”速度获得计算能力——快得惊人。Neven声称，有一段时间你看起来好像什么都没发生，然后突然你进入了一个不同的世界。

从理解宇宙大爆炸，到为广泛的行业提供数字运算，量子计算将继续以惊人的速度发展。现在是访问它并学习它发展的时候了。

-卡洛琳Mathas是一些电子出版物和公司的自由技术作家/编辑。

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量子计算机电源管理

“要想有效地为量子计算机提供动力，电力管理技术需要有一个巨大的飞跃。”

Quantum Computing中的一个是什么？

量子计算正处于稳步上升的轨道上，但随着新技术的出现，该领域也在不断变化。

我们的办公桌上需要一台“超级计算机”吗?

云计算和大数据分析需要开发更加性能的计算系统。我们可以想象这些高性能电脑早在2035年可能看起来像什么。

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