量子計(jì)算的下一步是什么

量子計(jì)算正處于穩(wěn)步上升的軌道上，但隨著新技術(shù)開(kāi)始上線，該領(lǐng)域也在不斷變化。

與二進(jìn)制位不同，量子計(jì)算/計(jì)算機(jī) （QC） 中的量子位同時(shí)以 1 和 0 的形式存在并作為一個(gè)組。因此，根據(jù)一些計(jì)算，一個(gè) 300 量子比特的集合足以計(jì)算宇宙中的所有信息。換句話說(shuō)，比任何人一生都需要知道的要多。

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QC 給了我們希望，我們可以解決許多以前無(wú)法解決的問(wèn)題，這取決于所討論的問(wèn)題，這可能是好是壞。例如，QC 有可能幫助模擬化學(xué)分子，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)新藥至關(guān)重要。另一方面，QC 也將使以前無(wú)法破解的安全代碼過(guò)時(shí)，從而需要建立抗 QC 的密碼學(xué)方法。更一般地說(shuō)，QC 有望加速各種不同應(yīng)用的進(jìn)展，例如人工智能 （AI）、金融建模、天氣預(yù)報(bào)和粒子物理學(xué)。

盡管量子計(jì)算面臨多重挑戰(zhàn)，但該領(lǐng)域正穩(wěn)步向高性能量子計(jì)算機(jī)發(fā)展，可以解決密碼學(xué)、化學(xué)和人工智能中的難題。據(jù)波士頓咨詢集團(tuán)稱，硬件和端到端提供商正在構(gòu)建 QC 的商業(yè)基礎(chǔ)，而專業(yè)的軟件服務(wù)提供商則專注于解決特定問(wèn)題。

來(lái)自量子計(jì)算機(jī)硬件供應(yīng)商的軟件和教程

硬件系統(tǒng)供應(yīng)商包括 D-Wave、IBM、英特爾、IonQ、Quantum Circuits、QuTech 和 Rigetti。

D-Wave是目前唯一一家銷售量子計(jì)算機(jī)的公司。自 2013 年以來(lái)，Google 和 NASA 一直在測(cè)試 D-Wave 的機(jī)器。每個(gè) D-Wave QC 的成本超過(guò) 1000 萬(wàn)美元（第一臺(tái)以1500 萬(wàn)美元的價(jià)格賣(mài)給了網(wǎng)絡(luò)安全公司 Temporal Defense Systems Inc. ）。

雖然 IBM 尚未開(kāi)始銷售量子計(jì)算機(jī)，但它在 2017 年將其原型的容量提高到了 50 個(gè)量子位，并且在 2019 年初，IBM 宣布了 Q System One。許多人認(rèn)為這臺(tái) 9 立方英尺的 20 量子比特機(jī)器是邁向大規(guī)模商業(yè)化的重要一步。

使用英特爾的 49 量子位測(cè)試芯片，荷蘭公司 QuTech 計(jì)劃在 2019 年的某個(gè)時(shí)候提供對(duì)其Quantum Inspire原型平臺(tái)以及成熟 QC 處理器的訪問(wèn)權(quán)限。

雖然之前的重點(diǎn)是軟件，但 Rigetti 正在努力在 2019 年夏季推出功能正常的 128 量子比特 QC。其他致力于 QC 原型的公司包括IonQ和 Quantum Circuits，它們是耶魯大學(xué)的附屬公司。

允許訪問(wèn)量子計(jì)算機(jī)

的公司 允許訪問(wèn)其量子計(jì)算能力的公司包括 IBM、阿里巴巴、D-Wave 和 NTT。

就 Quantum Experience（或 Q Experience）平臺(tái)而言，IBM 已在網(wǎng)絡(luò)上放置了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的 5 量子比特處理器，供公眾申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)。IBM Quantum Experience 網(wǎng)站有四個(gè)模塊：1） 教程，2） 用于配置的量子合成器，3） 在實(shí)際運(yùn)行之前對(duì)參數(shù)進(jìn)行建模的模擬器，以及 4） 訪問(wèn)機(jī)器上的實(shí)際運(yùn)行。IBM 報(bào)告稱，IBM Q Experience 有超過(guò) 80，000 名用戶，他們共同進(jìn)行了超過(guò) 300 萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了 70 多篇研究論文。

阿里巴巴量子公司實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院合作，在阿里云上提供對(duì) 11 量子比特量子計(jì)算的訪問(wèn)。用戶可以在在線界面上遠(yuǎn)程編寫(xiě)和執(zhí)行量子電路，然后下載結(jié)果。該網(wǎng)站還具有模擬功能。用戶可以在此處觀看視頻演示并訪問(wèn)注冊(cè)頁(yè)面。

D-Wave 推出的一個(gè)名為L(zhǎng)eap的實(shí)時(shí)云平臺(tái)。通過(guò)向公眾提供 Leap 訪問(wèn)權(quán)限，D-Wave 希望圍繞該技術(shù)建立一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。D-Wave 2000Q 量子計(jì)算機(jī)的每次訪問(wèn)會(huì)話都是一分鐘，根據(jù) D-Wave 的說(shuō)法，這應(yīng)該足以解決 400 到 4，000 個(gè)問(wèn)題。用戶還可以以每小時(shí) 2，000 美元及以上的價(jià)格支付更多時(shí)間。最后，日本電報(bào)電話公司 （NTT） 也向用戶提供免費(fèi)訪問(wèn)權(quán)限。

擁有用于量子計(jì)算的軟件開(kāi)發(fā)工具包 （SDK） 的軟件公司

IBM、谷歌、微軟、Rigetti、D-Wave 和 Xanadu 等端到端提供商提供了自己的基于云的開(kāi)源軟件平臺(tái)。

IBM 創(chuàng)立了基于 Python 的#Qiskit和基于 Javascript 的#Qiskit-JS開(kāi)源量子計(jì)算框架。通過(guò) Qiskit 或 Qiskit-JS 制作的應(yīng)用程序可以在 Q Experience 上進(jìn)行測(cè)試。

#Cirq是一個(gè)開(kāi)源 Python 庫(kù)，用于創(chuàng)建和編輯要在量子計(jì)算機(jī)和模擬器上運(yùn)行的軟件；Cirq 目前在OpenFermion-Cirq上可用。盡管與 Google 的 AI Quantum Team 相關(guān)聯(lián)，但 Cirq 并不是 Google 的官方產(chǎn)品。

微軟的 Q#（“Q sharp”）是一種專門(mén)用于量子算法的多范式開(kāi)源語(yǔ)言。Q# 主要取代了微軟早期的 LIQUi|》 架構(gòu)。Microsoft 已開(kāi)發(fā) Q# 以針對(duì)其現(xiàn)有模擬器運(yùn)行，并最終在其物理硬件上運(yùn)行。Q# 與 Microsoft 的 Visual Studio 開(kāi)發(fā)環(huán)境集成，因此其代碼可以在本地系統(tǒng)或 Azure 云平臺(tái)上的模擬器上運(yùn)行。另一方面， #Quantum Katas是一個(gè)自定進(jìn)度的編程項(xiàng)目，它教開(kāi)發(fā)人員如何使用 Q# 為量子計(jì)算機(jī)編寫(xiě)代碼。

Rigetti Forest量子計(jì)算SDK由量子指令語(yǔ)言（Quil）、用于Quil編程的開(kāi)源Python庫(kù)、量子程序庫(kù)（Grove）和模擬環(huán)境（Quantum Virtual Machine）組成。

D-Wave 的Leap Quantum 應(yīng)用環(huán)境提供對(duì) D-Wave 2000Q 量子計(jì)算機(jī)的免費(fèi)、實(shí)時(shí)訪問(wèn)，這是一個(gè)開(kāi)源 Ocean 軟件開(kāi)發(fā)工具包；交互式演示、編碼示例和基于知識(shí)的文章形式的教程；以及用于協(xié)作和支持的社區(qū)論壇。

Xanadu 的軟件 QC 庫(kù)分為兩部分：基于 Python 的平臺(tái)PennyLane和用于設(shè)計(jì)、模擬和優(yōu)化 QC 編程的全棧 Python 庫(kù)Strawberry Fields 。

在普通計(jì)算機(jī)上提供 QC 模擬器的組織

還有許多其他組織在普通計(jì)算機(jī)上提供量子計(jì)算模擬。這些組織大多是非營(yíng)利的研究機(jī)構(gòu)。

#ProjectQ是最知名的平臺(tái)之一。#ProjectQ 是一個(gè)與硬件無(wú)關(guān)、基于 Python 的開(kāi)源 QC 框架，具有編程和仿真功能。它允許用戶使用 Python 編寫(xiě)代碼，然后將代碼轉(zhuǎn)換為任何后端，用于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)或?qū)嶋H量子計(jì)算機(jī)（例如 IBM Q Experience）上的模擬器。

另一個(gè)比較知名的平臺(tái)是Quantum Computing Playground，這是一個(gè)由 Google 工程師團(tuán)隊(duì)在 2014 年開(kāi)發(fā)的模擬環(huán)境。借助自己的腳本語(yǔ)言，Quantum Computing Playground 可以運(yùn)行多種算法并有效地模擬高達(dá) 22 個(gè)量子比特的量子計(jì)算。量子計(jì)算游樂(lè)場(chǎng)更適合中高級(jí)用戶。

這里有太多的仿真平臺(tái)無(wú)法命名。一些平臺(tái)在大量子位上表現(xiàn)出色，例如由 Atos 和英國(guó)科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會(huì)提供的 Atos Quantum Learning Machine（38 qubits ），以及由 QuTech 和由荷蘭國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)支持。有些是專業(yè)平臺(tái)，例如面向化學(xué)和材料科學(xué)的 OpenFermion。此外，一些平臺(tái)對(duì)學(xué)生或初學(xué)者友好，例如Quantum User Interface（墨爾本大學(xué)）、QCircuits和Quirk，它們都模擬了小規(guī)模的量子操作并具有用戶友好的界面。最后，奇博是 Qilimanjaro 開(kāi)發(fā)的基于 Python 的開(kāi)源模擬器，支持 IBM、Rigetti 和 Qilimanjaro 的虛擬機(jī)。

結(jié)論

隨著風(fēng)險(xiǎn)投資和政府撥款的涌入，量子計(jì)算正處于穩(wěn)步上升的軌道上。在任何特定時(shí)間，都會(huì)有許多項(xiàng)目啟動(dòng)，然后完成或放棄。隨著該領(lǐng)域?yàn)楫?dāng)前的超導(dǎo)和俘獲離子實(shí)施增加了更新的技術(shù)——包括光子、硅基和拓?fù)浞椒ā覀兒芸赡軙?huì)看到改進(jìn)的硬件和增加對(duì)量子計(jì)算的訪問(wèn)。那么，你會(huì)在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行哪些程序或算法？

審核編輯：郭婷