如何測量量子計(jì)算機(jī)的性能或能力

盡管量子計(jì)算機(jī)尚未完全展示出相對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，但大量資金已經(jīng)投入其中，有望在未來顯現(xiàn)出潛力，這是一場持續(xù)的國與國的競爭。原文標(biāo)題為《The Race Toward Quantum Advantage》，有刪減，來給讀者了解這個領(lǐng)域的專家看法。

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在20世紀(jì)90年代中期，早期的量子計(jì)算機(jī)問世，當(dāng)時數(shù)學(xué)家證明了應(yīng)用量子方法解決某些問題的有效性。研究人員仍在使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，但這標(biāo)志著競賽開始，人們爭相建造可以直接解決問題的高效量子計(jì)算機(jī)。一些公司在2019年宣稱首次實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)相對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，但大多數(shù)專家認(rèn)為我們距離實(shí)現(xiàn)這種交叉點(diǎn)還需要幾年的時間。雖然從理論上講，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到了這個水平，但在實(shí)際應(yīng)用中，我們還沒有完全實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)勢。

IBM的量子與信息技術(shù)研究員兼首席科學(xué)家Heike Riel在最近的設(shè)計(jì)自動化會議上指出：“量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)存在，但仍處于非常早期的階段。我們目前正處于制定量子計(jì)算路線圖的階段，以引導(dǎo)我們實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢，但我們還沒有完全達(dá)到這一點(diǎn)。量子優(yōu)勢是指量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)，或者可以更快、更精確或更節(jié)能地執(zhí)行任務(wù)?！?/p>

要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢，還有很長的路要走。Mohamed Hassan，德科技量子解決方案規(guī)劃負(fù)責(zé)人指出：“各國政府（包括美國、歐洲、中國等）正在大力投資于量子計(jì)算領(lǐng)域。由于這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力以及對通信和安全的潛在影響，各國都在爭相推動這一技術(shù)的發(fā)展。大型科技公司（如IBM、谷歌、英特爾）也在投入巨資，計(jì)劃在2030年之前建立具備量子優(yōu)勢的實(shí)用量子計(jì)算機(jī)。此外，許多初創(chuàng)的量子計(jì)算公司（如IonQ、Rigetti、D-Wave等）已經(jīng)在股票市場上市?！?/p>

了解和解決量子計(jì)算所涉及的問題與傳統(tǒng)計(jì)算有所不同。一個典型的量子應(yīng)用案例是優(yōu)化問題。慕尼黑工業(yè)大學(xué)教授Robert Wille在DAC TechTalk上表示：“我們需要找到最優(yōu)解，并在最壞的情況下必須窮舉所有可能性。在設(shè)計(jì)自動化領(lǐng)域，沒有人會通過枚舉來解決任何復(fù)雜的全局優(yōu)化問題。我們有專門的設(shè)計(jì)自動化方法、SAT求解、決策圖等強(qiáng)大技術(shù)。但最終，我們?nèi)匀幻媾R極其復(fù)雜的問題。這正是量子計(jì)算發(fā)揮作用的地方。量子計(jì)算允許您同時將輸入初始化為0和1，然后處理您的問題，從概念上來說，您會同時獲得所有可能的結(jié)果。量子計(jì)算機(jī)允許您使用所有可能的輸入來解決問題。然后，您將獲得一個輸出狀態(tài)，該狀態(tài)以某種方式編碼在包含所有可能的解決方案的量子輸出狀態(tài)中（包括您感興趣的解決方案）。然而，問題在于，當(dāng)我嘗試測量這個輸出狀態(tài)時，我只能以一定的概率得到可能的結(jié)果之一，我只能獲得其中的一個解決方案。但您可以使用一些技巧，從而增加獲得所需結(jié)果的可能性?！?/p>

在實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢之前，仍然有許多挑戰(zhàn)需要克服。盡管公眾關(guān)注的重點(diǎn)通常是硬件，但如何測量量子計(jì)算機(jī)的性能或能力仍然存在很多討論。此外，構(gòu)建更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)以及將應(yīng)用程序有效地映射到這些計(jì)算機(jī)上所需的軟件工具鏈也需要大規(guī)模的軟件開發(fā)。這個工具鏈包括開發(fā)環(huán)境、編譯器和調(diào)試器等組件，所有這些都仍在不斷發(fā)展之中。

傳統(tǒng)上，EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）行業(yè)從高級電子系統(tǒng)描述開始，然后通過編譯和優(yōu)化逐步轉(zhuǎn)化成晶體管級別，最終形成物理布局，并最終進(jìn)入硅芯片制造。量子算法也需要經(jīng)歷類似的過程，需要將它們映射到量子硬件結(jié)構(gòu)上。目前，大多數(shù)應(yīng)用程序都是手工映射的，但這會使擴(kuò)展變得非常困難。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Wille指出：“致力于量子計(jì)算設(shè)計(jì)自動化的人并不多。這真是令人遺憾，因?yàn)槲艺娴南嘈牛覀兊纳鐓^(qū)憑借其背景和專業(yè)知識，以及我們已經(jīng)開發(fā)的方法和工具，可以為量子計(jì)算專家提供巨大的幫助，特別是那些正在開發(fā)量子計(jì)算技術(shù)的人們，他們需要將量子計(jì)算應(yīng)用到實(shí)際問題中?！?/p>

在了解和解決這些挑戰(zhàn)之前，有必要對量子計(jì)算有一些基本了解。IBM的Riel解釋說：“量子計(jì)算機(jī)的主要輸入是復(fù)數(shù)，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制輸入不同。量子位描述了測量后發(fā)現(xiàn)狀態(tài)為1或0的概率。此外，還有量子電路，它由一系列量子門操作組成，是量子計(jì)算的計(jì)算單位。量子計(jì)算性能的縮放行為由2^n個狀態(tài)決定。如果量子位的數(shù)量超過100個，那么您將獲得經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法模擬的結(jié)果，盡管這在今天還不可能?！?/p>

綜合而言，衡量量子計(jì)算性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括規(guī)模（量子位數(shù)量）、質(zhì)量（電路保真度和速度），以及功耗。不僅如此，量子計(jì)算機(jī)使用多種技術(shù)，例如超導(dǎo)量子比特、離子捕獲、自旋或量子點(diǎn)等，每種技術(shù)都需要相應(yīng)的電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。不同技術(shù)之間的差異需要開發(fā)不同的EDA工具和流程，以便將應(yīng)用程序映射到不同類型的量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)上。

最后，雖然量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展前景令人興奮，但在實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢之前，還需要克服許多技術(shù)和軟件挑戰(zhàn)。隨著各國政府和科技公司的投資不斷增加，我們有望在未來看到量子計(jì)算的巨大潛力得以釋放。

編輯：黃飛

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