入門量子計算

梅芬發表於2018-12-01

Quantum

本文主要包含量子應用方向、學習課程、入門資料，歡迎大家一起討論和分享。 更多學習資料

1. 應用方向

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更詳細的分析報告

2. 公司

ID Quantique 於2001 年成立於瑞士日內瓦，主攻基於傳統和量子技術的高效能多協議網路加密（量子金鑰分配），以及量子隨機數生成器的技術開發，主要為金融、國防、政府部門，以及線上遊戲、數學模擬等領域提供網路安全服務。

美國公司KnuEdge 成立於2005 年。該公司具有很強的傳奇色彩：其創始人是美國前宇航局（NASA）局長丹尼爾·戈爾丁(Daniel Goldin)。丹尼爾自宇航局卸任之後行蹤隱祕，甚至從媒體報導中消失，直到10 年後宣佈其創立的量子計算公司KnuEdge 推出模仿人類神經網路、名為KnuPath 的首款晶片。公司宣稱其開發的是革命性技術，為新一代機器學習系統開發未來所需的工具，並改進語音識別等人機互動介面，以推動人工智慧的發展。從媒體評價來看，這是一家希望超越Google、 AMD 和Intel 的量子晶片公司。公司已獲得1 億美元的鉅額天使投資，在2016 年中時已實現2000 萬美元營收，客戶覆蓋大型計算機公司與財富500 強企業，涉及航空航天、金融、醫療、酒店、保險等行業。

由前 IBM 應用物理學家 Chad Rigetti 創立於2013 年，致力於量子計算系統開發，使命是“打造世界最強大的計算機”。目前，公司正在建立一個人工智慧與計算化學的雲端量子計算平臺，並開放了名為Forest 的測試版API，通過量子-經典混合計算模型，直接整合現有的雲基礎設施，把量子計算機作為加速器。公司曾在著名孵化器Y Combinator接受孵化，並在孵化期間獲250 萬美元種子輪融資。2017 年3月，公司連續獲得Andreessen Horowitz 領投的2400 萬美元A 輪融資，以及Vy Capital 領投、Andreessen Horowitz 參投的4000 萬美元B 輪融資，累計融資6920 萬美元。該項投資將用於公司擴大團隊、擴充業務，以及用於製造和部署量子積體電路基礎設施的開發。

英國公司Post-Quantum 成立於2009 年，公司以“保護世界的資訊（Protectingthe World’s Information）”為使命，主攻量子加密技術。公司坦承自身的技術要得到廣泛應用還為時尚早，當前主要是把握客戶的短期痛點，併為他們提供一套模組化的安全解決方案，包括安全通訊、需要共識批准的授權訪問、生物識別，以及結合區塊鏈的安全應用等。公司一直到創立七年後，也就是在2016 年才獲得來自AM Partners、VMS Investment Group 的1030 萬美元A 輪融資。據公司創始人Andersen Cheng 回顧，因為公司的業務過於新穎和複雜，許多投資機構甚至聽不懂他們在做什麼，所以公司的融資經歷非常艱難而曲折，而新投資者在5 分鐘內就搞明白了是怎麼回事。從他們的經歷可以看出，堅持下來，並靜待“有緣人”是多麼重要。

3. 學習&&課程

3.1 入門書籍

更多資料學習

3.2 學習建議和資料

3.3 nature

4. 有意思的方向

  • AI quantum Computing
  • 盲量子計算
  • 量子模擬器，量子語言

5. 咕嚕咕嚕

量子計算機的發展史

  • In the 1970’s Fredkin, Toffoli, Bennett and others began to look into the possibility of reversible computation to avoid power loss.Since quantum mechanics is reversible, a possible link between computing and quantum devices was suggestedSome early work on quantum computation occurred in the 80’s1982 Benioff: Quantum computers are universal.

  • 1982 Feynman: Quantum computer could simulate other quantum systems.1993 Bernstein, Vazirani and Yao: Quantum systems are more powerful than classical computers.

關鍵名詞解釋
  1. 量子的疊加態

量子的神祕之處首先體現在它的“狀態”。在巨集觀世界裡，任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態和確定的位置。但在微觀世界裡，量子卻可以同時處於多種狀態。疊加態是“0”態和“1”態的任意線性疊加，它以一定的概率同時存在於“0”態和“1”態之間。量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態，如果把半導體比成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況。

2.量子糾纏

根據量子力學理論，如果兩個量子之間形成了“糾纏態”，那麼無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超光速“瞬間”發生如同心靈感應的變化。也就是說，當其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態發生變化，另一顆也會即刻發生相應的狀態變化。

量子位元就是利用了這些性質，實現了天然的平行計算。我們可以通過特定技術對量子態進行一次變換，即可對所有狀態同時操作，且只消耗 1 單位時間。試想一下，一個64位的量子位元可以同時表示0～264-1的所有整數，那我們做一次kx的乘法操作，就相當於同時計算了k0、k1、…、k(264-1)！

也就是說，當對海量資料進行處理時，傳統計算機輸入一次運算一次，而量子計算這種並行處理方式的速率足以讓傳統計算機望塵莫及。尤其是在多種並行運算或者多種操作的情況下，隨著處理資料量的增加，量子計算機比傳統計算機的優勢會實現指數級的增長。

  1. 量子門

目前的電子計算機還有個熱耗散的問題，根據蘭道爾原理，資訊的損失將導致發熱，而經典邏輯閘運算都是不可逆計算，會帶來資訊損失進而發熱（雖然很少）。量子門是操作量子位元的基本單元，量子門是可逆的，資訊沒有損失，因而量子計算機可以自迴圈而沒有熱耗散。

  1. 量子測量

跟經典計算機的另一個區別，就是量子位元始終處在疊加態之上，只有經過測量，你才可能獲得自己想要的結果。但是，量子力學裡面有個基本的定理叫做量子不可克隆定理，無法對一個未知量子態精確複製，使得每個複製態與初始量子態完全相同。所以只能多次執行，多次測量。還是用前面的例子來說明，在執行完kx的操作後，我們同時計算出了k0、k1、…、k(2^64-1)所有這些結果，但我可能只關心其中某一個特定的結果，譬如k100的結果。那我們就需要對量子位元進行若干次測量，每次測量都會得到一個具體的kx的結果，直到我們遇到了x=100的情況，才可以得到k*100的結果。這種反覆的計算和測量，看似比經典計算低效。但是考慮到狀態空間是非常巨大的，合理的疊加態設計會使得多次計算和測量要遠比經典計算更加高效。 量子計算機是在1980年代由費米首次提出的，很快就得到了物理學家和計算機學家的關注。目前，雖然具體的實體裝置還處在探索階段，但基於量子計算原理，人們已經構造了很多的量子演算法。這裡列舉其中最著名的幾個：

  1. Grover演算法：

電腦科學家Grover提出一種複雜度為0√N的搜尋演算法，它是量子計算中非常重要的演算法，基於量子門和量子測量原理，與經典的計算比較大的差別表現在量子計算是把所有的資料看作一個整體去做運算，在資料量比較大的情況下這個演算法在搜尋運算中相較傳統演算法得到極大提升。並且，無論是在機器學習中還是日常的實際業務領域，搜尋都是常用的場景，如果我們能夠在相關的硬體上實現Grover演算法，很多整合系統都會極大的提升效能。

  1. Shor演算法：

第二個非常重要的演算法是在安全領域非常重要的演算法。它提出了一種複雜度為0（logN）的質因數分解演演算法，可以迅速破解現在的安全體系基礎——RSA加密，這本來是需要天文數字的算力，在應用Shor演算法後變得異常簡單。可以說，Shor演算法足以顛覆目前的資訊保安體系。

  1. HHL演算法：

該領域在2008年HHL量子演算法（以三位創始人Aram Harrow，Avinathan Hassidim和Seth Lloyd命名）出現之後就開始了快速發展。HHL演算法解決了涉及多自由度的廣泛線性代數問題，解決問題的速度比任何傳統超級計算機都要快。並且，由於大部分機器學習都涉及到這些高自由度的（高維）代數問題，一些機器學習研究人員已經轉向了HHL的研究潮流。過去幾年中，基於HHL的量子機器學習演算法在技術文獻中不斷增多。這個演算法開創了整個量子機器學習時代。

- Hamiltonians
- interdisciplinary
- Toffoli
- Shor’s algorithm
- Hilbert space：量子力學中，一個物理系統可以表示為一個復希爾伯特空間，其中的向量是描述系統可能狀態的波函式。
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