小白终于也能玩上真正的量子计算了！

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2019年底云计算江湖来了一波量子计算的小高潮，先是11月4日微软发布了Azure Quantum服务，12月AWS又在ReInvent 2019上发布Amazon Braket，让码农们各种激动。我还写了一篇文章：AWS每年的大招又来了，第一个就介绍了AWS这个量子计算的新产品。只可惜那个时候都是预览版，小白是无法直接上手使用的。直到一年以后的8月，AWS终于官宣了这个产品的GA，可以在美东（北弗吉尼亚)和美西（北加州和俄勒冈）三个区域使用，真是千呼万唤始出来。相比于隔壁的Azure Quantaum一直需要申请早鸟使用，也是快了那么一点点。

量子计算扫盲篇

Braket这个名字还是很有讲究的，来自于著名的量子物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902年8月8日－1984年10月20日）1939年提出的“bra-ket”符号，也叫狄拉克（Dirac）符号。他把括号Bracket这个词一分为二，左边是bra，右边是ket，分别表示左矢和右矢，是一种简单地表示量子状态的方法。

再往下的数学物理我就基本上搞不懂了，翻翻20年前的大学物理课本好像也看不懂啥，当然量子物理不是我今天要谈的内容，关键是量子计算！量子计算（Quantum Computing）主要是利用量子力学的原理来处理信息，这和我们经典计算机是不一样的。经典计算机使用的是硅材料芯片，而量子计算机使用的是原子、离子、光子或电子等材料。

要搞明白量子计算，有几个关键的概念是必须理解的：叠加（Superposition），量子测量（Quantum measurement），纠缠（Entanglement）和量子比特（Qubits）。

一个中年大叔，在健身房里锻炼身体，要么向左转，要么向右转。用计算机的语言来说，我的状态要么是0，要么是1，不能同时向左或向右，即同时是0又是1。但是如果我是一个量子粒子，我就可以以一定的概率向左转，又有一定的概率向右转，我是无数个介于0或者1状态的线性组合，直到美女教练来看我，才能知道我的状态到底是0还是1。我这种介于0或者1的状态，就是叠加。美女教练来看我的时候，我要么向左，要么向右，而不是同时在左或者右的状态，就叫做量子测量。我因为教练的美貌，崩塌（collapsed）成了某个确定的状态。

如果美女教练看上了我，她选择跟我的状态保持一致或者相反，如果我的状态是0，那么她的状态就是0或1，无论天涯海角，无论海枯石烂，不管多少光年之外，只要我坍塌了，她同时也坍塌，这种关系就叫做量子纠缠。

对量子计算机软件设计而言，最重要的基础是量子比特（qubit），对应的就是经典计算机里的bit。经典计算机里的bit是0或者1，而处于叠加态的qubit则是有一定概率是0，有一定概率是1，比如说我们可以设置70/30的概率，也就意味着这个叠加态的qubit有70%的概率是0，30%的概率是1，这种概率的状态对计算产生了巨大的优势。对于处于叠加态的2个qubits而言，每个qubits可以是0，1或者同时，也就意味着可以同时表示4个值，即00，01，10，11，而不像经典计算机里同时只能表示一个值，这对计算的速度和效率会产生巨大的优势。例如下面将会提到的拥有2048个量子位的D-Wave量子计算机，同时可以表示2^2048个值，大约是3.23E+616，也就是3后面跟着616个零，这个恐怖的数字超出了人类的想象。

写到这里，我想起了得到上老喻的《人生算法》课上的内容，其实我们的人生说到底，无非是各种不同的概率组合而已，量子计算，也是在玩概率的游戏。量子计算机是不是未来可以真正地模拟人生呢？

Amazon Braket的样子 

Amazon Braket定义了一个新的概念叫做QPU（Quantum Processing Unit），抽象了量子计算的处理单元，提供了三种不同的量子硬件，包括：

1，D-Wave,运行着2048个量子比特（qubits）的量子退火处理器。量子退火使用一个物理过程来寻找一个低能量配置，编码一个优化问题的解决方案。这个和下面基于门的量子比特技术是完全不同的技术。下图是Amazon的提供的D-Wave 2000Q的真实样子。

2，IonQ，提供了基于门的11个量子比特的离子阱计算机。单个离子通过周围电极产生的电磁阱保持在真空中，使用激光脉冲来执行栅极操作。具有相对较长的相干时间和良好的连通性。这是IonQ的样子。

3，Rigetti，提供基于超导量子位的通用门计算机。用30个在低温下工作的超导量子比特。超导量子比特具有易耦合，电子控制和快速门等优点。Rigeti 16Q Aspen-4看上去是下面这样的。

好吧，我承认对于上面几个关于量子计算机硬件的介绍，我还是不是特别明白，看图片感觉上反正是各种高大上的样子，具体的物理过程其实我也不需要懂，还是赶紧去看看AWS Braket到底是什么样子的吧。

登陆到AWS的Console上，可以看到Braket已经可以直接申请了。完成之后，就能看到刚才介绍的三种不同的硬件和AWS提供的模拟器SV1。我们可以通过创建虚拟机，跑Python Notebook的实例，在模拟器SV1或者是真实的环境上运行量子算法。

Amazon提供了开源的Braket Python的SDK（https://github.com/aws/amazon-braket-sdk-python），可以用于编写量子计算的代码。我个人觉得最简单的还是在Console里直接创建Notebook的虚拟机，免去了配置环境的麻烦。这个虚拟机自动部署了Anaconda 3.0的环境和Braket Python SDK，并提供了一些Braket的算法示例，用于测试和学习。

下面我们来看一段最简单的python代码，用来模拟两个量子位之间的最大纠缠贝尔态，在AWS的Braket里可以随意切换模拟器或者使用Rigetti/IonQ的硬件执行。

贝尔态是爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出的描述两个量子比特四种最大的纠缠态，即00，01，10，11。具体的物理我就不说了，反正我也不是专家，不能不懂装懂。结论很简单，就是在最大纠缠的状态下，两个量子比特的测量结果“一定相同”或者“一定不同”。下面的代码构建了如下图所示的一个回路，实现了贝尔态。

首先是导入相关的库：

# general imports
import boto3
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# magic word for producing visualizations in notebook
%matplotlib inline
import string
import time

# AWS imports: Import Braket SDK modules
from braket.circuits import Circuit, Gate, Instruction, circuit, Observable
from braket.devices import LocalSimulator
from braket.aws import AwsDevice, AwsQuantumTask

接下来定义相应的账号和S3的存储桶信息，然后定义相应的阿达马门（Hadamard Gate）和量子非门（CNOT Gate）：

aws_account_id = boto3.client("sts").get_caller_identity()["Account"]
my_bucket = f"amazon-braket-{aws_account_id}" # the name of the bucket
my_prefix = "simulation-output" # the name of the folder in the bucket
s3_folder = (my_bucket, my_prefix)
# define circuit
bell = Circuit().h(0).cnot(0, 1)
# print circuit
print(bell)

T : |0|1|

q0 : -H-C-
|
q1 : ---X-

T : |0|1|

先在本地模拟器上测试：

# set up device: Local Simulator
device = LocalSimulator()
# run circuit (execute single TASK)
result = device.run(bell, shots=1000).result()
# get measurement shots
counts = result.measurement_counts
# print counts
print(counts)

Counter({'00': 515, '11': 485})

这个输出表示1000个测量里，有515个是00状态，485个是11状态。我们也可以画个图来显示一下。

# plot using Counter
plt.bar(counts.keys(), counts.values());
plt.xlabel('bitstrings');
plt.ylabel('counts');

接下来我们修改一点代码，让代码在云上的模拟器上运行，也就是SV1，他拥有34个量子位。修改很简单，改一句话就好了。

# set up the managed simulator
device = AwsDevice("arn:aws:braket:::device/quantum-simulator/amazon/sv1")

结果也是类似的，运行完了以后，在Console的Task里就会出现刚才执行的任务情况。

在S3的Bucket里面也会出现刚才运行的结果，这是个result.json文件，记录了1000次量子测量的结果，并记录纠缠的结果。

接下来就是激动人心的真实硬件运行了。其实这些硬件资源还是特别紧张的，在我测试的时候，除了D-Wave可以用以外，IonQ要1天以后才有资源，Rigetti也要10小时以后，不过我们可以通过代码的方式，创建任务，等机器空出来了，就可以执行获得结果了。

# set up deviceionq = AwsDevice("arn:aws:braket:::device/qpu/ionq/ionQdevice")
# run circuit with a polling time of 5 daysionq_task = ionq.run(bell, s3_folder, shots=1000, poll_timeout_seconds=5*24*60*60)
# get id and status of submitted taskionq_task_id = ionq_task.idionq_status = ionq_task.state()# print('ID of task:', ionq_task_id)print('Status of task:', ionq_status)

这里我们设置了5天的超时，任务会在5天内执行完成，否则就不执行了，当然可以预期结果也是比较类似的。在真实的量子计算机上出现了四种状态，即00，01，10，00，这在经典的模拟计算机上是没有的，结果如下：

量子纠缠也是量子计算里非常有趣的特性，任何关于量子计算的教材里都会提到，比如Azure Quantum的教程里也有类似的内容，只是微软用的是Q#（qdk）来实现的。（https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/tutorials/explore-entanglement），同样可以在Jupyter或者Visual Studio Code里运行，也是实现了H门和CNOT门。

总结  

AWS并不是第一个提供量子云服务的厂商，但是是我能摸到的第一个。IBM在2016年就推出了22个量子位的量子计算服务，之前我也说了微软在AWS之前推出了Azure Quantum，只是我辈小白不能用而已。微软的服务也有IonQ的硬件，还有Honeywell和Quantum Circuits（QCI）的硬件，Honeywell最近推出的硬件包含64个量子位。

事实上到今天为止量子计算还是实验性质的，传统计算机能做所有量子计算机能做的事情，只是可能在特定领域慢一点而已。前天又有一条新闻说Google继去年实现量子优越性以后，对化学反应进行了模拟，在Science上又发表了一篇新文章《超导量子比特量子计算机的 Hartree-Fock 近似模拟》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer），又解锁了量子计算的新技能。相信要不了多久，量子计算将会进入我们的日常生活，新一代的码农或许又有了更多改变世界的机会。

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