量子云計算

編譯 魏劉偉

量子計算設(shè)備正變得越來越強大，但是當(dāng)今只有少數(shù)專家可以在這方面用到它們的能力。托馬斯·帕彭布洛克（Thomas Papenbrock），帕維爾·盧高夫斯基（Pavel Lougovski）和馬丁·薩維奇（Martin Savage）描述了可商用的基于云的量子計算服務(wù)將如何向新用戶開放。

使用量子力學(xué)疊加原理處理信息的設(shè)備——量子計算機，正在大學(xué)和國家實驗室以及初創(chuàng)企業(yè)和谷歌、IBM、英特爾、微軟等大公司中開發(fā)、建造和研究。這些設(shè)備非常令人感興趣，因為它們可以解決某些計算上的“硬”問題，例如在搜索大規(guī)模的無序列表或分解大數(shù)字方面，量子計算機會比任何經(jīng)典計算機都快得多。這是因為量子力學(xué)疊加原理類似于并行指數(shù)計算——換句話說，它可以一次探索多個計算路徑。

由于自然界在基礎(chǔ)上是量子力學(xué)的，量子計算機也有希望解決有關(guān)固體、分子、原子、原子核或亞原子粒子的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的問題。研究人員在經(jīng)典計算機上解決此類問題取得了很大進(jìn)展，但隨著粒子數(shù)量的增加，所需的計算量通常呈指數(shù)增長。因此，這些領(lǐng)域的科學(xué)家對量子計算機感興趣并不奇怪。

作為建造量子處理器的基礎(chǔ)，許多不同的技術(shù)正在被開發(fā)出來。這些技術(shù)包括超導(dǎo)體、離子阱、光學(xué)器件、具有氮空位中心的鉆石和超冷中子等。所有這些技術(shù)面臨的共同挑戰(zhàn)是保持量子態(tài)相干足夠長的時間以執(zhí)行算法，同時保持以受控方式操縱這些狀態(tài)的能力。

近來，具有超過50個量子比特的通用量子處理器已經(jīng)發(fā)布出來——這是一個令人興奮的里程碑，因為即使在這種相對較低的復(fù)雜程度下，量子處理器的操作也會變得太復(fù)雜，只有使用最強大的經(jīng)典超級計算機才能模擬。這些50個量子比特的機器解決“硬”科學(xué)問題的效用目前受限于在退相干發(fā)生之前可以執(zhí)行的量子邏輯運算的數(shù)量（幾十個），并且大量的研發(fā)工作集中在增加這樣的相干時間上。在這些設(shè)備上已經(jīng)可以解決一些問題。問題是，怎么解決？

首先，找一臺電腦

科學(xué)家們在研究領(lǐng)域內(nèi)邁出了使用量子器件解決化學(xué)、材料科學(xué)、核物理和粒子物理問題的第一步。在大多數(shù)情況下，科學(xué)家與設(shè)備的開發(fā)者、所有者以及操作者之間就這些問題進(jìn)行了合作研究。然而，公用的軟件（如PyQuil，QISKit和XACC）與程序量子計算處理器的組合，以及對設(shè)備本身讀取的改進(jìn)，正開始向更廣泛的相關(guān)方開放。例如，IBM和Rigetti公司允許用戶分別通過IBM Q Experience和Rigetti Forest API訪問他們的量子計算機。這些都是基于云的服務(wù)：用戶可以在模擬器上測試和開發(fā)他們的程序，并在量子設(shè)備上運行它們而無須離開辦公室。

例如，我們最近使用IBM和Rigetti云服務(wù)來計算氘核的結(jié)合能——這是一種質(zhì)子和中子的束縛態(tài)，構(gòu)成重氫原子的原子核。我們使用的量子器件包括大約20個超導(dǎo)量子比特。單個量子比特上量子運算的保真度超過99%，而兩個量子比特的保真度約為95%。每個量子比特通常連接到3～5個鄰居。預(yù)計這些規(guī)格（量子比特數(shù)、保真度和連通性）將隨著時間的推移而改善，但近期的通用量子計算可能都會基于類似的參數(shù)——加州理工學(xué)院的約翰·普雷斯基爾（John Preskill）稱之為“有噪聲的中尺度量子”（NISQ）技術(shù)。

量子硬件：Rigetti的19量子比特處理器被用于執(zhí)行氘核結(jié)合能的計算

氘核是最簡單的原子核，其性質(zhì)眾所周知，這使其成為量子計算的良好測試范例。此外，由于量子比特是雙狀態(tài)量子力學(xué)系統(tǒng)（通常被認(rèn)為是“自旋向上”和“自旋向下”的狀態(tài)），因此在量子比特和費米子之間存在自然映射——即具有半整數(shù)自旋的粒子遵守泡利不相容原理——例如構(gòu)成氘核的質(zhì)子和中子。從理論上講，每個量子比特代表一個費米子可以占據(jù)的軌道位置，并且自旋向上和自旋向下分別對應(yīng)于占據(jù)該軌道的零個或一個費米子?；谶@種喬丹·維格納映射，量子芯片可以模擬與其量子比特一樣多的費米子。

氘核結(jié)合能的量子計算的另一個有用特征是可以簡化計算本身。其平移不變性可將質(zhì)子和中子的束縛態(tài)計算問題降低為單粒子問題，而單粒子問題僅取決于粒子之間的相對距離。此外，氘核的哈密頓量在長波長的限制下變得更簡單，同時質(zhì)子和中子之間復(fù)雜的強相互作用的細(xì)節(jié)在低能量下沒有解決。這些簡化使我們可以只使用兩個或三個量子比特來執(zhí)行量子計算。

然后，進(jìn)行計算

我們在量子處理器上準(zhǔn)備了一族糾纏量子態(tài)，并在量子芯片上計算了氘核的能量。狀態(tài)準(zhǔn)備包括作用于一個初始狀態(tài)單一操作，它分解為一系列單量子和雙量子比特的量子邏輯操作?？紤]到雙量子比特相對較低的保真度，我們采用了最少數(shù)量的雙量子比特CNOT（無控制）運算來完成這項任務(wù)。為了計算氘核的能量，我們以哈密頓量測量了泡利算子的期望值，將量子比特狀態(tài)投射到經(jīng)典比特上。這是一個隨機過程，我們收集了每個量子態(tài)多達(dá)10 000次的測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這大約是用戶通過云訪問可以進(jìn)行的最大測量次數(shù)，但這對我們來說已經(jīng)足夠了，因為我們受到噪音的限制而不是統(tǒng)計數(shù)據(jù)的限制。然而，采用更多量子比特或更高精度、更復(fù)雜的物理系統(tǒng)可能需要更多的測量。

為了計算氘核的結(jié)合能，我們必須找到所準(zhǔn)備的所有量子態(tài)的最小能量。這種最小化是使用經(jīng)典計算機完成的，使用來自量子芯片的結(jié)果作為輸入。我們使用了兩個版本的氘核的哈密頓量，一個用于兩個量子比特，一個用于三個量子比特。雙量子比特計算僅涉及單個CNOT操作，因此不會顯著地受到噪聲的影響。

然而，三量子比特計算受噪聲影響很大，因為量子電路涉及三次CNOT操作。為了理解噪聲的系統(tǒng)效應(yīng)，我們在量子電路中插入了額外的CNOT操作對——相當(dāng)于沒有噪聲的同一性算子。這進(jìn)一步提高了噪音水平，使我們能夠測量和消減能量計算中的噪音。最終，我們的工作產(chǎn)生了通過云執(zhí)行的原子核的第一次量子計算。

接下來——

我們同時使用量子處理器和經(jīng)典計算機進(jìn)行計算。然而，量子計算機也為獨立應(yīng)用帶來了巨大的希望。例如，由于相互作用的費米子的動力學(xué)由單一的時間演化算子產(chǎn)生，因此可以通過量子芯片上的單一門操作自然地實現(xiàn)。

在另一個實驗中，我們使用IBM量子云來模擬施溫格模型——這是一個典型的量子場論，描述了通過電磁場耦合的電子和正電子的動力學(xué)。我們的工作遵循由埃斯特班·馬丁內(nèi)茲（Esteban Martinez）和因斯布魯克大學(xué)的合作者所做的工作，他們2016年使用高度優(yōu)化的離子阱系統(tǒng)作為量子器件，探索了施溫格模型的動態(tài)，該系統(tǒng)允許他們實施數(shù)以百計的量子操作。為了通過云訪問NISQ設(shè)備進(jìn)行模擬，我們利用模型的對稱性來降低量子電路的復(fù)雜性。然后，我們將該電路應(yīng)用于初始基態(tài)，產(chǎn)生單一時間演化，并僅使用兩個量子比特測量電子-正電子含量隨時間的變化。

來自IBM和Rigetti公司的公開的Python API使得云量子計算體驗變得非常簡單。我們在模擬器上測試我們的程序，并在實際量子硬件上運行計算，無須了解有關(guān)硬件本身的許多細(xì)節(jié)。然而，雖然軟件將我們的狀態(tài)準(zhǔn)備單元操作分解為一系列基本量子邏輯運算，但該分解并未針對硬件進(jìn)行優(yōu)化。這迫使我們修補量子電路，以便最小化雙量子比特操作的數(shù)量。展望未來，并考慮更復(fù)雜的系統(tǒng)，如果這種類型的分解優(yōu)化可以實現(xiàn)自動化，那就更好了。

在量子計算史的絕大多數(shù)情況下，量子計算僅僅實驗性地供少數(shù)研究人員使用，這些研究人員擁有建造和操作此類設(shè)備的專有技術(shù)。量子云計算將改變這一點。我們發(fā)現(xiàn)它是一種解放性的經(jīng)驗——一個偉大的均衡器，有可能為許多人帶來量子計算，正如設(shè)備本身開始證明自己的價值一樣。

資料來源 Physics World