編譯 魏劉偉

量子計(jì)算設(shè)備正變得越來(lái)越強(qiáng)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(jì)算服務(wù)將如何向新用戶開(kāi)放。

使用量子力學(xué)疊加原理處理信息的設(shè)備——量子計(jì)算機(jī)，正在大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及初創(chuàng)企業(yè)和谷歌、IBM、英特爾、微軟等大公司中開(kāi)發(fā)、建造和研究。這些設(shè)備非常令人感興趣，因?yàn)樗鼈兛梢越鉀Q某些計(jì)算上的“硬”問(wèn)題，例如在搜索大規(guī)模的無(wú)序列表或分解大數(shù)字方面，量子計(jì)算機(jī)會(huì)比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都快得多。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)疊加原理類似于并行指數(shù)計(jì)算——換句話說(shuō)，它可以一次探索多個(gè)計(jì)算路徑。

由于自然界在基礎(chǔ)上是量子力學(xué)的，量子計(jì)算機(jī)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(dòng)力學(xué)的問(wèn)題。研究人員在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上解決此類問(wèn)題取得了很大進(jìn)展，但隨著粒子數(shù)量的增加，所需的計(jì)算量通常呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，這些領(lǐng)域的科學(xué)家對(duì)量子計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)出來(lái)。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(zhǎng)的時(shí)間以執(zhí)行算法，同時(shí)保持以受控方式操縱這些狀態(tài)的能力。

近來(lái)，具有超過(guò)50個(gè)量子比特的通用量子處理器已經(jīng)發(fā)布出來(lái)——這是一個(gè)令人興奮的里程碑，因?yàn)榧词乖谶@種相對(duì)較低的復(fù)雜程度下，量子處理器的操作也會(huì)變得太復(fù)雜，只有使用最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)才能模擬。這些50個(gè)量子比特的機(jī)器解決“硬”科學(xué)問(wèn)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(yùn)算的數(shù)量（幾十個(gè)），并且大量的研發(fā)工作集中在增加這樣的相干時(shí)間上。在這些設(shè)備上已經(jīng)可以解決一些問(wèn)題。問(wèn)題是，怎么解決？

首先，找一臺(tái)電腦

科學(xué)家們?cè)谘芯款I(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(wèn)題的第一步。在大多數(shù)情況下，科學(xué)家與設(shè)備的開(kāi)發(fā)者、所有者以及操作者之間就這些問(wèn)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(jì)算處理器的組合，以及對(duì)設(shè)備本身讀取的改進(jìn)，正開(kāi)始向更廣泛的相關(guān)方開(kāi)放。例如，IBM和Rigetti公司允許用戶分別通過(guò)IBM Q Experience和Rigetti Forest API訪問(wèn)他們的量子計(jì)算機(jī)。這些都是基于云的服務(wù)：用戶可以在模擬器上測(cè)試和開(kāi)發(fā)他們的程序，并在量子設(shè)備上運(yùn)行它們而無(wú)須離開(kāi)辦公室。

例如，我們最近使用IBM和Rigetti云服務(wù)來(lái)計(jì)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(gè)超導(dǎo)量子比特。單個(gè)量子比特上量子運(yùn)算的保真度超過(guò)99%，而兩個(gè)量子比特的保真度約為95%。每個(gè)量子比特通常連接到3～5個(gè)鄰居。預(yù)計(jì)這些規(guī)格（量子比特?cái)?shù)、保真度和連通性）將隨著時(shí)間的推移而改善，但近期的通用量子計(jì)算可能都會(huì)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(jì)算

氘核是最簡(jiǎn)單的原子核，其性質(zhì)眾所周知，這使其成為量子計(jì)算的良好測(cè)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(fèi)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(gè)量子比特代表一個(gè)費(fèi)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(duì)應(yīng)于占據(jù)該軌道的零個(gè)或一個(gè)費(fèi)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(fèi)米子。

氘核結(jié)合能的量子計(jì)算的另一個(gè)有用特征是可以簡(jiǎn)化計(jì)算本身。其平移不變性可將質(zhì)子和中子的束縛態(tài)計(jì)算問(wèn)題降低為單粒子問(wèn)題，而單粒子問(wèn)題僅取決于粒子之間的相對(duì)距離。此外，氘核的哈密頓量在長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制下變得更簡(jiǎn)單，同時(shí)質(zhì)子和中子之間復(fù)雜的強(qiáng)相互作用的細(xì)節(jié)在低能量下沒(méi)有解決。這些簡(jiǎn)化使我們可以只使用兩個(gè)或三個(gè)量子比特來(lái)執(zhí)行量子計(jì)算。

然后，進(jìn)行計(jì)算

我們?cè)诹孔犹幚砥魃蠝?zhǔn)備了一族糾纏量子態(tài)，并在量子芯片上計(jì)算了氘核的能量。狀態(tài)準(zhǔn)備包括作用于一個(gè)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(duì)較低的保真度，我們采用了最少數(shù)量的雙量子比特CNOT（無(wú)控制）運(yùn)算來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。為了計(jì)算氘核的能量，我們以哈密頓量測(cè)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(gè)隨機(jī)過(guò)程，我們收集了每個(gè)量子態(tài)多達(dá)10 000次的測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這大約是用戶通過(guò)云訪問(wèn)可以進(jìn)行的最大測(cè)量次數(shù)，但這對(duì)我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，因?yàn)槲覀兪艿皆胍舻南拗贫皇墙y(tǒng)計(jì)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(cè)量。

為了計(jì)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(jì)算機(jī)完成的，使用來(lái)自量子芯片的結(jié)果作為輸入。我們使用了兩個(gè)版本的氘核的哈密頓量，一個(gè)用于兩個(gè)量子比特，一個(gè)用于三個(gè)量子比特。雙量子比特計(jì)算僅涉及單個(gè)CNOT操作，因此不會(huì)顯著地受到噪聲的影響。

然而，三量子比特計(jì)算受噪聲影響很大，因?yàn)榱孔与娐飞婕叭蜟NOT操作。為了理解噪聲的系統(tǒng)效應(yīng)，我們?cè)诹孔与娐分胁迦肓祟~外的CNOT操作對(duì)——相當(dāng)于沒(méi)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(cè)量和消減能量計(jì)算中的噪音。最終，我們的工作產(chǎn)生了通過(guò)云執(zhí)行的原子核的第一次量子計(jì)算。

接下來(lái)——

我們同時(shí)使用量子處理器和經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。然而，量子計(jì)算機(jī)也為獨(dú)立應(yīng)用帶來(lái)了巨大的希望。例如，由于相互作用的費(fèi)米子的動(dòng)力學(xué)由單一的時(shí)間演化算子產(chǎn)生，因此可以通過(guò)量子芯片上的單一門(mén)操作自然地實(shí)現(xiàn)。

在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們使用IBM量子云來(lái)模擬施溫格模型——這是一個(gè)典型的量子場(chǎng)論，描述了通過(guò)電磁場(chǎng)耦合的電子和正電子的動(dòng)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(dòng)態(tài)，該系統(tǒng)允許他們實(shí)施數(shù)以百計(jì)的量子操作。為了通過(guò)云訪問(wèn)NISQ設(shè)備進(jìn)行模擬，我們利用模型的對(duì)稱性來(lái)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(shí)間演化，并僅使用兩個(gè)量子比特測(cè)量電子-正電子含量隨時(shí)間的變化。

來(lái)自IBM和Rigetti公司的公開(kāi)的Python API使得云量子計(jì)算體驗(yàn)變得非常簡(jiǎn)單。我們?cè)谀M器上測(cè)試我們的程序，并在實(shí)際量子硬件上運(yùn)行計(jì)算，無(wú)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(yùn)算，但該分解并未針對(duì)硬件進(jìn)行優(yōu)化。這迫使我們修補(bǔ)量子電路，以便最小化雙量子比特操作的數(shù)量。展望未來(lái)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，那就更好了。

在量子計(jì)算史的絕大多數(shù)情況下，量子計(jì)算僅僅實(shí)驗(yàn)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(jì)算將改變這一點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)它是一種解放性的經(jīng)驗(yàn)——一個(gè)偉大的均衡器，有可能為許多人帶來(lái)量子計(jì)算，正如設(shè)備本身開(kāi)始證明自己的價(jià)值一樣。

資料來(lái)源 Physics World