【Quantum Benchmarking】DARPA量化量子计算机的实用性

尽管离实现拥有数百万物理量子比特(qubits)的通用容错量子计算机可能还需要10年或20年的时间，但量子计算的研究仍在快速进行。据推测，量子计算机有朝一日将彻底改变信息处理方式，涉及从新药物探索、先进电池、机器学习到密码学等一系列军事和民用应用。然而，在迈向容错量子系统的竞赛中，一个关键的缺失因素是有意义的指标，以量化大型量子计算机一旦存在后，它们究竟会有多大的效用或变革性。

为了提供衡量量子计算进展的标准，并推动当前的研究向特定目标发展，美国国防高级研究计划局（DARPA）于4月2日宣布推出“量子基准”（Quantum Benchmarking）项目，旨在重新发明关键的量子计算指标，使这些指标可以测试，并估计达到关键性能阈值所需的量子和经典资源。

据DARPA国防科学办公室（DSO）负责“量子基准”的项目经理乔·阿尔特佩特（Joe Altepeter）介绍：“这实际上是关于开发量子计算的尺度，可以准确衡量在向大型、容错量子计算机竞赛中需要关注的重要内容。制造一台有用的量子计算机真的很难，重要的是要确保我们使用正确的指标来指导我们朝着这个目标前进。如果说建造一台有用的量子计算机就像建造第一枚飞向月球的火箭一样，我们要确保我们不是通过测量我们的飞机能飞多高来量化实现这一目标的进展。”

20多年来，DARPA和其他组织在开拓先进量子传感和计算的关键量子技术方面发挥了重要作用。DARPA目前正在通过开发混合的经典/中等规模的“噪声”量子系统来追求量子计算机的早期胜利，这些系统可以在解决某些类型的军事相关问题时跨越纯经典超级计算机。“量子基准”项目建立在这个强大的量子基础上，以创建有助于指导未来投资的标准。

乔·阿尔特佩特表示：“‘量子基准’项目关注的是一个基本问题。我们如何知道建造一台真正的大型容错量子计算机是否会彻底改变一个行业？公司和政府研究人员准备在未来几十年内进行大规模的量子计算投资，但我们不希望提前冲刺建造一些东西，然后试图弄清楚之后它是否会对任何事情有用。”

为大型量子计算机提出有效的衡量标准并不是简单的任务。目前的量子计算研究在公司和机构中存在着严重的孤岛现象，这些公司和机构通常会对他们的工作进行保密。如果没有共同认可的标准来量化量子“突破”的效用，就很难知道量子研究资金所实现的价值。“量子基准”旨在通过尝试解决三个难点问题来预测量子计算机的效用。

第一个挑战是重塑关键指标。量子计算机专家并不是量子计算机将取代的系统的专家，因此需要建立新的社区来计算当前技术状态与量子能力之间的差距。成百上千的应用将需要被提炼成10个或更少的基准，而指标将需要有多维度的范围。

第二个挑战是通过创建量子计算机的“风洞”来使指标变得可测试，而目前还不存在这种情况。研究人员将需要在所有尺度上实现可靠的诊断，以便对经典上难以解决的计算进行基准测试。

第三个挑战是估计给定任务所需的量子和经典资源。研究人员将需要优化和量化高级资源，这类似于经典计算机的前端编译器。他们将需要将高级算法映射到低级硬件，类似于经典计算机的后端编译器。最后，他们将需要优化和量化低级资源，这对应于经典计算机的晶体管、门、逻辑、控制和内存。

乔·阿尔特佩特表示：“如果我们成功了，这些基准将成为量子计算机发展的指导星。”

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