量子计算的未来:面临的挑战竟然来自传统的电气工程 - eetimes

20-10-05 banq

Quantum Machines公司为量子处理器的控制和操作提供了经典硬件和软件的结合。该公司称其为量子编排平台。QOP是用于编程的软件界面。

Quantum Machines是一家以色列初创公司,由Battery Ventures,TLV Partners,Harel Insurance Group和以色列投资者Avigdor Willenz等组织牵头,共融资2250万美元。它由三位物理学博士学位创建:Itamar Sivan,Yonatan Cohen和Nissim Ofek。面对计算的挑战,他们将研究方向转向了量子技术。

量子计算机可以解决非常复杂的任务,这些任务远远超出了常规超级计算机的功能,但不幸的是,量子状态对外部环境的干扰极为敏感。减少这种干扰是量子计算的两个重大挑战之一。另一个是构建高效且可扩展的硬件。已经设计出许多复杂的纠错策略来解决这些问题。

量子计算的兴趣来自于量子比特(qubits)的大量计算潜力,无论从数量还是质量上来说,量子比特都非常难以管理。量子机器公司正在开发旨在优化量子系统控制的新系统。

“我们一直喜欢将量子处理器比喻为肌肉,这是一种非常强壮的肌肉,可以在竞争能力上进行极重的举重,但这种能力如果只依靠肌肉是没用的,需要大脑才能出色地执行任务。而这正是我们为量子计算机开发的。我们开发使量子处理器发挥作用的系统,以发挥其潜力,” Quantum Machines联合创始人兼首席执行官Itamar Sivan说。

新的QOP平台的功能包括超低反馈延迟,适用于从量子纠错到通用多量子位控制流的应用,同时还提供全面的编程和经典的实时处理。

 

量子位和量子误差校正

量子计算的基本元素是量子位(qubit :量子位quantum bit)。与常规位不同,量子位不仅可以以零或1的状态存在,而且还可以重叠两种可能性。而且,在量子处理器中,在它们之间可以存在更多处于重叠状态的量子位,以至于它们表现出称为纠缠的群行为。这种纠缠状态是量子计算机难以置信的计算能力的基础,也是其解决传统超级计算机功能范围之外的复杂任务的潜力之源。

坏消息是量子信息对环境干扰高度敏感。这种和其他量子特性使得必须进行误差校正才能从计算中获得有用的结果。纠错所需的操作不仅非常复杂,而且还必须保持量子信息不变。

较弱的磁场决定了量子位的反转(“位翻转”),与其他量子位相比,它们的切换可能性为|0⟩和|1⟩,或者是相位反转(“相翻转”),切换了量子位。两种状态之间的数学关系。

对于量子计算机,即使单个量子位已损坏,也建议找到保护信息的方案。另外,这些方案必须在不直接测量量子位的情况下检测并纠正错误,因为测量结果破坏了量子位的共存可能性。

量子误差的校正对于大多数量子计算机项目而言都是至关重要的,因为它有助于保留量子计算所依赖的脆弱的量子状态。

但是,一旦对量子位进行了测量,重叠条件就会崩溃,并且量子位将具有定义的值。量子算法设计的关键是操纵量子位的量子状态,以便当重叠条件崩溃时,结果(很有可能)是解决问题的方法。

说到量子位控制,我们也提到了过热问题。为了避免这种情况,通常将运行中的量子机放置在绝对零附近的冷藏环境中。迄今为止,研究人员一直致力于构建单个量子“演示”系统,以突出这些计算机的潜力,并且不得不使用传统计算机科学的工具(尽管具有高性能),然后使用低温冰箱来保持这种状态。电脑温度低。

通常,需要成百上千的电缆才能将计算机连接到冷却器并一次控制一个qubit:这种缠结会阻止创建由数百或数千个qubit组成的更大量子系统,而该系统可能会执行更复杂的工作计算。

 

量子平台

经典计算机由硬件和软件组成,而量子计算机是将量子特征与本质上管理量子设备的经典计算机相结合的混合机。计算潜力位于量子处理器中。但是,要运行量子处理器,您需要专用的经典硬件,该硬件负责通过将电磁脉冲发送到量子位来对量子位执行数学运算。

行业中的许多注意力都集中在实际的量子处理器上,但是随着这些机器变得越来越强大,正在成为瓶颈的是经典部分:用于量子计算的模拟领域的数字命令转换系统。

Quantum Machines建立了自己的自定义脉冲系统,该系统可以处理多量子位操作,同时独立于与之交互的量子处理器。

“我们总是喜欢说,如果您有一个具有300个量子位的量子处理器,它可以存储令人难以置信的信息量。如果您想在经典处理器中存储相同数量的信息,那么它将花费比宇宙中原子数更多的经典晶体管。现在,这来自于一些基本的事实,那就是事实,量子系统的复杂性随量子位的数量呈指数增长。对于经典系统而言,情况并非如此。” Sivan说。

“另一方面,这是我们用来使量子系统在量子处理器中工作的经典系统,”他继续说道。“因此,这就是根本原因,如果今天您拥有一个拥有数百个量子比特的出色量子处理器,这并不意味着您可以在其上运行复杂的算法,而只是意味着您拥有数百个具有良好功能的量子比特。主要原因是您控制的量子系统与您想要在控制它的经典系统中运行算法的量子系统之间存在差异。”

在经典处理器内部,您会看到很多不是随机放置的晶体管。它们以非常特定的方式相互连接以合并处理器逻辑。“例如,我可以制造一个乘法器,或者如果我连接越来越多的晶体管,那么我可以制造一个神经网络。”

经典处理器在其中具有数据和所有逻辑。量子处理器的工作方式大不相同。您可能将量子处理器视为巨大的内存。如果要对其应用逻辑运算,则需要发送脉冲。您发送给量子处理器的每个脉冲都是逻辑操作。可以假设有多行脉冲,在这些行上有一系列的脉冲撞击量子位,这些脉冲如何撞击量子位,然后在量子处理器上运行算法。

“目前,我们正在努力扩大量子误差的校正范围,达到数千个量子比特甚至更多。因此,在下一代量子处理器上运行最复杂的量子算法,提出了许多电气工程挑战。” Sivan说。

Sivan说,从事量子计算的最大的跨国公司和研究组织正在与Quantum Machine合作采用其平台。现在,任何开发量子处理器的公司或机构都可以购买Quantum Orchestration Platform来运行最复杂的算法。

 

量子计算编程语言

基本的软件接口是该公司的量子汇编程序QUA。QOP使用QM的脉冲级量子计算编程语言QUA,将经典代码转换为量子汇编语言,然后可以在任何量子处理器上运行该语言。

“目前有很多像C这样的编程语言被用来对量子计算机进行编程。我们认为,未来几年最有意义的事情实际上是使用专门为量子计算机设计的低级语言,而这正是我们用QUA创建的。QUA语言不是汇编程序,而是一种低级语言,因为它实际上是在编程量子处理器的最基本逻辑运算,类似于经典处理器的最基本逻辑运算。它基本上是量子计算机的最低语言。当然,我们的目标是对其进行标准化,它是成为量子计算机标准的主要候选人之一。” Sivan说。

Sivan明确指出,Quantum Machines汇编代码对于QOP是唯一的,并且只能在其硬件上运行。但是,他补充说,QOP可以集成到任何量子计算机中,并可以通过QM编程语言或任何其他编程语言使用,这要归功于编译器或编译器。

Quantum Orchestration Platform似乎是必不可少的中间件,它可能使量子计算机的编程更加容易。

 

量子加密和人工智能(AI)

量子计算将能够解决许多当前使用的密码,例如RSA。“即使在传统计算机上,RSA也是一种可入侵的协议,但将花费大量时间。人们认为,量子计算机能够在数分钟内完成完全相同的任务,从而破坏了我们拥有的标准RSA加密协议。当然,这将需要尚未建造的全尺寸量子计算机。” Sivan说。

在人工智能技术中使用量子算法将提高机器的学习能力。在计算机安全领域,随着计算机变得更智能,更快,代码变得更容易解码:这就是为什么迫切需要一种更高级的加密机制,如量子密码术所承诺的机制。

AI还可以通过创建能够纠正量子和逻辑错误的新算法,发现量子力学尚未理解的方面,创建新的,更有效的硬件结构来做出贡献。

人工智能还可以纠正量子误差。为了纠正它们,马克斯·普朗克研究所的研究人员使用与Google DeepMind的人工智能程序相同的策略进行了研究。名为Quantum Go的游戏旨在保留量子位状态:称为Alice的人工智能必须能够赢得虚构对手的挑战,虚构对手会竭尽所能诱使量子计算机出错并破坏量子位状态。Alice必须找到正确的方法来避免这种情况。

 

                   

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