如何消除量子革命的障碍？

光子盒研究院出品

导读：本文作者是以色列量子算法公司Classiq的联合创始人兼首席执行官Nir Minerbi。

量子计算从上世纪80年代就开始被讨论。但直到最近几年，量子计算机才从梦想照进现实。

硬件开发正在达到新的高度。越来越多的企业进入量子计算领域，建立软件团队来试验和开发新的量子算法，从第二次量子革命中获益。

人们几乎已经达成共识，要实现量子计算机的真正有益之处，量子硬件需要扩展到数百、数千甚至数百万个相干量子比特。如果IBM、谷歌、霍尼韦尔、IonQ和其他领先的硬件供应商能兑现他们的承诺，在2022年初，我们将拥有超过100个量子比特的机器，在两到三年内增长到数千个量子比特。

我们大家都准备好使用这样一台计算机了吗？硬件规模的扩大是唯一可能延迟量子春天到来的事情吗？我相信答案是：No。原因有三：

1、截至目前，我们只能运行和模拟最多50个量子比特的量子电路。没有人真正知道一台1000量子比特的(含噪声)量子计算机能做什么。变分量子本征求解器(VQE)会带来量子优势还是被困在“贫瘠高原”上？量子机器学习(QML)会带来真正的价值还是落后于强大的经典方法？这是量子的神秘和魔力的一部分。我们很快就会知道的。

注：贫瘠高原(barren plateaus)，是指当量子计算机的比特数目较大时，当前量子神经网络的框架很容易变得无法有效进行训练，它的目标函数会变得很平，导致梯度变得很难估计。

2、你设计过一个1000个量子比特的电路吗？你当然没有。即使你试图设计这种电路，你也无法在今天的真实硬件上模拟或运行它。

3、你有能力设计1000个量子比特的量子电路吗？这也是个问题。

今天，量子软件开发人员面临两大挑战。能够设计有用量子电路的量子信息专家的数量非常少。我估计这些专家不过几千人。就连这些专家也在苦苦挣扎，发现大型量子电路的设计几乎是不可能的。这是因为编程大多局限于将量子比特显式连接到量子门或使用预定义的构建块。

“构建块”(building blocks)一词有点误导性，因为它们本身不足以创造一个有用的量子电路。例如，如果你使用一个VQE构建块，则需要手动构建一个充分纠缠的ansatz——纠缠程度无法模拟。这是很难做到的。再例如，如果我们想要构建一个搜索程序，我们可以使用Grover算法构建块。但是我们能否设计一个复杂的oracle(黑盒操作)作为该算法的一部分？同样，说到复杂的oracle，如果你想挖掘比特币，你需要创建一个SHA256算法的oracle实现。祝你好运，用现有的工具做到这一点！

这并不是要淡化过去几年在量子软件堆栈中取得的令人难以置信的进展。Qiskit、Cirq、Q#等优秀开发环境正在帮助采用量子计算。但是如果我们深入细节，就会发现我们有问题。让我们通过一个小演示来说明这一点：

如图1所示，这是2021年IBM量子挑战赛中最大的电路，是大多数人能设计的平均电路大小，仅5个量子比特。

 图1

然后再来看图2，这是你可能会在最复杂的科学论文中找到的最大电路，也只有几十个量子比特。

 图2

图3是一个300量子比特的量子电路。你见过这样的电路吗？一年后，你可能会想设计出一个。

 图3

门级设计不具有可扩展性。就像我们不能在门级上设计一个有数百万个晶体管的芯片一样，我们也不能用这种方式设计复杂的量子电路。就像VHDL和Verilog为芯片设计解决了这个问题一样，量子电路也需要类似的高级抽象语言。

这样的高级语言将使设计者能够指定电路所需的功能行为，以及对设计者很重要的约束。一个约束可能是量子比特的数量、要使用的门、电路的深度等等。更改约束或所需行为将很快产生一个替代电路，并允许设计者探索各种权衡。

这正是Classiq所做的。通过提供高级建模和约束语言，从而帮助企业构建他们无法构建的复杂量子电路。这大大缩短了构建工作电路的时间，以消除量子开发过程中的障碍。

量子革命正在进行。也许几年后，我们就可以使用大规模的量子计算机了。量子软件开发者社区必须并且能够确保我们准备好了。

参考链接：

https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/how-to-prevent-a-quantum-revolution-roadblock/

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：