量子計算的未來：面臨的挑戰竟然來自傳統的電氣工程 - eetimes

量子計算機可以解決非常複雜的任務，這些任務遠遠超出了常規超級計算機的功能，但不幸的是，量子狀態對外部環境的干擾極為敏感。減少這種干擾是量子計算的兩個重大挑戰之一。另一個是構建高效且可擴充套件的硬體。已經設計出許多複雜的糾錯策略來解決這些問題。

量子計算的興趣來自於量子位元（qubits）的大量計算潛力，無論從數量還是質量上來說，量子位元都非常難以管理。量子機器公司正在開發旨在最佳化量子系統控制的新系統。
“我們一直喜歡將量子處理器比喻為肌肉，這是一種非常強壯的肌肉，可以在競爭能力上進行極重的舉重，但這種能力如果只依靠肌肉是沒用的，需要大腦才能出色地執行任務。而這正是我們為量子計算機開發的。我們開發使量子處理器發揮作用的系統，以發揮其潛力，” Quantum Machines聯合創始人兼執行長Itamar Sivan說。
新的QOP平臺的功能包括超低反饋延遲，適用於從量子糾錯到通用多量子位控制流的應用，同時還提供全面的程式設計和經典的實時處理。
 

量子位和量子誤差校正

量子計算的基本元素是量子位（qubit ：量子位quantum bit）。與常規位不同，量子位不僅可以以零或1的狀態存在，而且還可以重疊兩種可能性。而且，在量子處理器中，在它們之間可以存在更多處於重疊狀態的量子位，以至於它們表現出稱為糾纏的群行為。這種糾纏狀態是量子計算機難以置信的計算能力的基礎，也是其解決傳統超級計算機功能範圍之外的複雜任務的潛力之源。
壞訊息是量子資訊對環境干擾高度敏感。這種和其他量子特性使得必須進行誤差校正才能從計算中獲得有用的結果。糾錯所需的操作不僅非常複雜，而且還必須保持量子資訊不變。
較弱的磁場決定了量子位的反轉（“位翻轉”），與其他量子位相比，它們的切換可能性為|0⟩和|1⟩，或者是相位反轉（“相翻轉”），切換了量子位。兩種狀態之間的數學關係。
對於量子計算機，即使單個量子位已損壞，也建議找到保護資訊的方案。另外，這些方案必須在不直接測量量子位的情況下檢測並糾正錯誤，因為測量結果破壞了量子位的共存可能性。
量子誤差的校正對於大多數量子計算機專案而言都是至關重要的，因為它有助於保留量子計算所依賴的脆弱的量子狀態。
但是，一旦對量子位進行了測量，重疊條件就會崩潰，並且量子位將具有定義的值。量子演算法設計的關鍵是操縱量子位的量子狀態，以便當重疊條件崩潰時，結果（很有可能）是解決問題的方法。
說到量子位控制，我們也提到了過熱問題。為了避免這種情況，通常將執行中的量子機放置在絕對零附近的冷藏環境中。迄今為止，研究人員一直致力於構建單個量子“演示”系統，以突出這些計算機的潛力，並且不得不使用傳統電腦科學的工具（儘管具有高效能），然後使用低溫冰箱來保持這種狀態。電腦溫度低。
通常，需要成百上千的電纜才能將計算機連線到冷卻器並一次控制一個qubit：這種纏結會阻止建立由數百或數千個qubit組成的更大量子系統，而該系統可能會執行更復雜的工作計算。
 

量子平臺
經典計算機由硬體和軟體組成，而量子計算機是將量子特徵與本質上管理量子裝置的經典計算機相結合的混合機。計算潛力位於量子處理器中。但是，要執行量子處理器，您需要專用的經典硬體，該硬體負責透過將電磁脈衝傳送到量子位來對量子位執行數學運算。

行業中的許多注意力都集中在實際的量子處理器上，但是隨著這些機器變得越來越強大，正在成為瓶頸的是經典部分：用於量子計算的模擬領域的數字命令轉換系統。
Quantum Machines建立了自己的自定義脈衝系統，該系統可以處理多量子位操作，同時獨立於與之互動的量子處理器。
“我們總是喜歡說，如果您有一個具有300個量子位的量子處理器，它可以儲存令人難以置信的資訊量。如果您想在經典處理器中儲存相同數量的資訊，那麼它將花費比宇宙中原子數更多的經典電晶體。現在，這來自於一些基本的事實，那就是事實，量子系統的複雜性隨量子位的數量呈指數增長。對於經典系統而言，情況並非如此。” Sivan說。
“另一方面，這是我們用來使量子系統在量子處理器中工作的經典系統，”他繼續說道。“因此，這就是根本原因，如果今天您擁有一個擁有數百個量子位元的出色量子處理器，這並不意味著您可以在其上執行復雜的演算法，而只是意味著您擁有數百個具有良好功能的量子位元。主要原因是您控制的量子系統與您想要在控制它的經典系統中執行演算法的量子系統之間存在差異。”
在經典處理器內部，您會看到很多不是隨機放置的電晶體。它們以非常特定的方式相互連線以合併處理器邏輯。“例如，我可以製造一個乘法器，或者如果我連線越來越多的電晶體，那麼我可以製造一個神經網路。”
經典處理器在其中具有資料和所有邏輯。量子處理器的工作方式大不相同。您可能將量子處理器視為巨大的記憶體。如果要對其應用邏輯運算，則需要傳送脈衝。您傳送給量子處理器的每個脈衝都是邏輯操作。可以假設有多行脈衝，在這些行上有一系列的脈衝撞擊量子位，這些脈衝如何撞擊量子位，然後在量子處理器上執行演算法。
“目前，我們正在努力擴大量子誤差的校正範圍，達到數千個量子位元甚至更多。因此，在下一代量子處理器上執行最複雜的量子演算法，提出了許多電氣工程挑戰。” Sivan說。
Sivan說，從事量子計算的最大的跨國公司和研究組織正在與Quantum Machine合作採用其平臺。現在，任何開發量子處理器的公司或機構都可以購買Quantum Orchestration Platform來執行最複雜的演算法。
 

量子計算程式語言
基本的軟體介面是該公司的量子彙編程式QUA。QOP使用QM的脈衝級量子計算程式語言QUA，將經典程式碼轉換為量子組合語言，然後可以在任何量子處理器上執行該語言。
“目前有很多像C這樣的程式語言被用來對量子計算機進行程式設計。我們認為，未來幾年最有意義的事情實際上是使用專門為量子計算機設計的低階語言，而這正是我們用QUA建立的。QUA語言不是彙編程式，而是一種低階語言，因為它實際上是在程式設計量子處理器的最基本邏輯運算，類似於經典處理器的最基本邏輯運算。它基本上是量子計算機的最低語言。當然，我們的目標是對其進行標準化，它是成為量子計算機標準的主要候選人之一。” Sivan說。
Sivan明確指出，Quantum Machines彙編程式碼對於QOP是唯一的，並且只能在其硬體上執行。但是，他補充說，QOP可以整合到任何量子計算機中，並可以透過QM程式語言或任何其他程式語言使用，這要歸功於編譯器或編譯器。
Quantum Orchestration Platform似乎是必不可少的中介軟體，它可能使量子計算機的程式設計更加容易。
 

量子加密和人工智慧（AI）
量子計算將能夠解決許多當前使用的密碼，例如RSA。“即使在傳統計算機上，RSA也是一種可入侵的協議，但將花費大量時間。人們認為，量子計算機能夠在數分鐘內完成完全相同的任務，從而破壞了我們擁有的標準RSA加密協議。當然，這將需要尚未建造的全尺寸量子計算機。” Sivan說。
在人工智慧技術中使用量子演算法將提高機器的學習能力。在電腦保安領域，隨著計算機變得更智慧，更快，程式碼變得更容易解碼：這就是為什麼迫切需要一種更高階的加密機制，如量子密碼術所承諾的機制。
AI還可以透過建立能夠糾正量子和邏輯錯誤的新演算法，發現量子力學尚未理解的方面，建立新的，更有效的硬體結構來做出貢獻。
人工智慧還可以糾正量子誤差。為了糾正它們，馬克斯·普朗克研究所的研究人員使用與Google DeepMind的人工智慧程式相同的策略進行了研究。名為Quantum Go的遊戲旨在保留量子位狀態：稱為Alice的人工智慧必須能夠贏得虛構對手的挑戰，虛構對手會竭盡所能誘使量子計算機出錯並破壞量子位狀態。Alice必須找到正確的方法來避免這種情況。