如何測量量子計算機的性能或能力

盡管量子計算機尚未完全展示出相對于傳統(tǒng)計算機的優(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。原文標題為《The Race Toward Quantum Advantage》，有刪減，來給讀者了解這個領域的專家看法。

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在20世紀90年代中期，早期的量子計算機問世，當時數(shù)學家證明了應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)計算機進行模擬，但這標志著競賽開始，人們爭相建造可以直接解決問題的高效量子計算機。一些公司在2019年宣稱首次實現(xiàn)了量子計算機相對于傳統(tǒng)計算機的優(yōu)越性，但大多數(shù)專家認為我們距離實現(xiàn)這種交叉點還需要幾年的時間。雖然從理論上講，量子計算機已經(jīng)達到了這個水平，但在實際應用中，我們還沒有完全實現(xiàn)量子計算的優(yōu)勢。

IBM的量子與信息技術研究員兼首席科學家Heike Riel在最近的設計自動化會議上指出：“量子計算機已經(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算路線圖的階段，以引導我們實現(xiàn)量子優(yōu)勢，但我們還沒有完全達到這一點。量子優(yōu)勢是指量子計算機可以執(zhí)行傳統(tǒng)計算機無法完成的任務，或者可以更快、更精確或更節(jié)能地執(zhí)行任務?！?/p>

要實現(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)劃負責人指出：“各國政府（包括美國、歐洲、中國等）正在大力投資于量子計算領域。由于這項技術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的發(fā)展。大型科技公司（如IBM、谷歌、英特爾）也在投入巨資，計劃在2030年之前建立具備量子優(yōu)勢的實用量子計算機。此外，許多初創(chuàng)的量子計算公司（如IonQ、Rigetti、D-Wave等）已經(jīng)在股票市場上市?！?/p>

了解和解決量子計算所涉及的問題與傳統(tǒng)計算有所不同。一個典型的量子應用案例是優(yōu)化問題。慕尼黑工業(yè)大學教授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。在設計自動化領域，沒有人會通過枚舉來解決任何復雜的全局優(yōu)化問題。我們有專門的設計自動化方法、SAT求解、決策圖等強大技術。但最終，我們?nèi)匀幻媾R極其復雜的問題。這正是量子計算發(fā)揮作用的地方。量子計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果。量子計算機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果的可能性?！?/p>

在實現(xiàn)量子優(yōu)勢之前，仍然有許多挑戰(zhàn)需要克服。盡管公眾關注的重點通常是硬件，但如何測量量子計算機的性能或能力仍然存在很多討論。此外，構建更強大的量子計算機以及將應用程序有效地映射到這些計算機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（電子設計自動化）行業(yè)從高級電子系統(tǒng)描述開始，然后通過編譯和優(yōu)化逐步轉化成晶體管級別，最終形成物理布局，并最終進入硅芯片制造。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構上。目前，大多數(shù)應用程序都是手工映射的，但這會使擴展變得非常困難。

慕尼黑工業(yè)大學的Wille指出：“致力于量子計算設計自動化的人并不多。這真是令人遺憾，因為我真的相信，我們的社區(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，可以為量子計算專家提供巨大的幫助，特別是那些正在開發(fā)量子計算技術的人們，他們需要將量子計算應用到實際問題中?！?/p>

在了解和解決這些挑戰(zhàn)之前，有必要對量子計算有一些基本了解。IBM的Riel解釋說：“量子計算機的主要輸入是復數(shù)，與傳統(tǒng)計算機的二進制輸入不同。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，是量子計算的計算單位。量子計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)典計算機無法模擬的結果，盡管這在今天還不可能?！?/p>

綜合而言，衡量量子計算性能的關鍵指標包括規(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，量子計算機使用多種技術，例如超導量子比特、離子捕獲、自旋或量子點等，每種技術都需要相應的電子設備來實現(xiàn)。不同技術之間的差異需要開發(fā)不同的EDA工具和流程，以便將應用程序映射到不同類型的量子計算機架構上。

最后，雖然量子計算機的發(fā)展前景令人興奮，但在實現(xiàn)量子優(yōu)勢之前，還需要克服許多技術和軟件挑戰(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算的巨大潛力得以釋放。

編輯：黃飛

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