量子計算利用量子物理學原理解鎖了一種全新的計算方式。隨著量子計算機逐漸成熟，它們將與超級計算機進行集成，解決世界上最難處理的一些計算問題。

如今，汽車、製藥、化工和金融服務等行業正在探索如何將量子計算作為傳統超級計算的加速器。

什麼是量子計算？

量子計算是一種範式變革技術，可利用量子物理學定律來處理極其困難的問題。這些問題異常繁瑣，以至於在傳統超級計算機上解決這些問題需要極其龐大的資源。

量子計算的核心是量子位或量子比特。經典位僅以狀態 0 或 1 存在，而量子位能夠以這兩種狀態的所謂叠加而存在。這意味著處於叠加狀態的 N 個量子位將存放指數數量（2N）的二進制配置的相關信息，它們共同構成了一個量子態。當對 N 個量子位中的任何一位執行操作時，將會操控整個量子態——表明存在巨大的並行性。但是，應用這種能力的情況較為微妙，因為從量子態中讀出信息只能通過在計算後基於概率測量單個配置來實現。

要充分利用量子並行性，量子應用必須額外利用糾纏和干預屬性。

量子計算應用

雖然僅某些應用確認量子算法可有效解決重大問題，但這些算法的確可提供僅靠傳統超級計算無法生成的解決方案。

因此，量子計算預計將影響眾多行業，包括國防、能源、物流、工程、醫藥、金融及零售。

一些示範案例包括：

• 複雜化學系統仿真，以指導發現新電池、太陽能電池、藥品和消費品。
• 更快估算財務預測和風險指標，幫助提高交易利潤率並強化風險管理。
• 優化包括全球供應鏈到遺傳學在內的複雜系統。
• 提供進攻性和防禦性加密功能，改變網絡防禦和國家安全格局。
• 制定與眾不同的 AI 程序，從數據中提取更深入的見解，並為決策者提供更可靠的預測。

這些應用對量子計算的要求各不相同。因此，一些行業有望率先開發出量子計算應用。化學和材料應用領域預計將首先從初代量子設備中受益，而其他領域則需要更大規模的下一代量子計算機。

政府、學術界和工業領域正付出相當大的努力來確定最具影響力的用例，並構建新的量子算法來解決此類問題。量子應用研究人員的目標，仍然是發現更多可發揮“量子優勢”的應用。量子計算最具價值的應用仍尚待發現。

什麼是量子計算機？

量子計算機是一種能夠隔離並操控量子位的設備。量子比特是具有可控量子屬性的物理對象。為實現量子計算，操控量子位需要採用先進的工程技術和最尖端的超級計算輔助基礎設施。量子處理單元（QPU）是一種能夠與多個量子位進行謹慎交互的設備，這種交互通常通過電信號、微波、射頻（RF）或激光脈衝等方法來實現。

有多種候選物理對象可用於構建量子位，例如超導線圈、中性原子、囚禁離子、電子自旋、金剛石氮空位、光子或其他一些特殊材質。每種量子位都具有其各自的優缺點。例如，有些量子位需要被冷卻到接近絕對零度，因而需要使用稀釋制冷機等特殊低溫裝置。其他類型的量子位則需要超高真空環境，以防止量子位的脆弱狀態受到外界環境噪音的干擾。

量子位需要與環境進行有效隔離，以確保其量子性質完好無損，不會因最輕微的環境擾動而遭到破壞。這可以通過常規電氣硬件（即控制系統）來實現，此系統必須能夠操控量子位並在算法運行期間從中讀取其信息。該控制系統的關鍵組件是一台常規超級計算機，用於協調控制操作、糾正錯誤，以及分析 QPU 的輸出。此處，一些應用本質上為混合應用，意味著它們需要組合利用常規計算機和 QPU 來完成更高層次的工作流。

硬件開發者面臨的關鍵挑戰，是設計一種其操作組件能夠進行擴展的量子計算系統，以便處理更大規模的計算任務，同時確保量子位仍處於受保護和可控狀態。

量子計算編程

量子程序通常使用量子開發框架以 Python 或 C++ 等常用語言編寫。大多數框架都允許用戶指定基本量子操作（門）。一些框架採用更加功能性的方法，還允許用戶指定高級內核（有時稱為“oracle”）。此類內核封裝了執行更高級功能所需的大量門，意味著程序員不必擔心門級別的細節。在視覺上，程序通常用構成門或常用內核的量子電路表示。

要在量子計算機上運行程序，必須對其進行編譯，以便將抽象的門級操作轉換為一組特定於設備的指令。此編譯任務使用傳統計算機執行。不同的量子設備具有獨特的編譯要求和指令集，因此，用於編寫量子程序的出色開發平台應該能夠將同一代碼盡可能多地編譯為量子設備上的各種指令集，包括特定於設備的優化。

編譯後的代碼將由設備的控制系統在其量子硬件上執行。在未來的大規模量子計算機中，該執行階段還包括用於實施量子糾錯的其他控制指令（參見下節）。借助量子糾錯，可以在不受噪音干擾的情況下完成大型量子程序。

在量子程序結束時，會讀出 QPU 中的量子位。在某些算法中，將基於概率執行這種讀出結果的操作，有時需要多次重複該算法。在大多數算法中，讀出結果需要由傳統計算機在後期進行處理，以將數據解釋為有意義的解決方案。找到能夠使用儘可能少的量子位和門生成有意義結果的量子電路，是量子算法設計面臨的主要挑戰之一。

量子糾錯

目前，主要通過兩種方法來消除導致難以執行量子計算的噪音。一種方法是採用含噪中型量子（NISQ）設備，這種設備並不嘗試糾正噪音，而是設法在其施加的嚴格限制範圍內運行。另一種方法是採用容錯量子計算機（FTQC），該設備會主動實施量子糾錯協議以嘗試防止噪音。由於噪音會快速累積，NISQ 設備無法運行具有許多量子位或門操作的算法。關於是否有任何有用的應用可在 NISQ 設備的約束下運行，目前尚無定論，但研究人員仍在繼續探求此類算法。

雖然在技術上更難以實現，但 FTQC 是整個量子生態系統的“至高追求”。與 NISQ 不同，針對 FTQC 設備已開發出一些有用的應用，這導致人們普遍認為容錯是任何量子計算機的實用性要求。FTQC 使用量子糾錯（QEC）來規避噪音。QEC 利用糾錯碼將許多含有噪音的物理量子位映射到一個無噪音的邏輯量子位。同樣，可以設計邏輯運算來作用於這些已編碼的邏輯量子位。量子糾錯碼的一個關鍵要素是重複測量量子位，進而生成信息，以便傳統計算機在發生錯誤的位置進行“解碼”，然後解釋這些錯誤。

實施 QEC 具有挑戰性。首先，為了使 QEC 工作，量子硬件中的噪音需要低於某個錯誤率“閾值”。其次，QEC 代碼需要許多物理量子位才能編碼單個邏輯量子位（確切數量取決於硬件和所用代碼的特定噪音約束）。最後，QEC 代碼需要在“代碼週期”內重複運行。QEC 代碼連續生成的數據必須在嚴格的時間限制下由傳統計算機進行處理，以免數據積壓影響性能。這需要使用與 QPU 緊密耦合的最先進的超級計算機。研究人員仍在確定可最大限度地降低硬件開銷的 QEC 代碼和最優容錯算法。

量子超級計算

在大家的想象中，量子計算機的物理尺寸相當於一個超級計算機中心。用於屏蔽量子位、冷卻量子位以及發送控制脈衝的量子計算機輔助組件尺寸較大，並需要具有較大尺寸才能在如此小的系統上精確運行。此外，量子計算機專為解決特定類型的問題而設計，實際上，它無法高效處理在筆記本電腦上執行的許多任務。這意味著量子計算機將成為超級計算機解決大規模問題時的加速器，並自然成為數據中心的永久裝備。

量子計算機不僅可幫助超級計算機解決前所未有的問題，而且依賴於超級計算機才能運行。這種相互關係稱為量子加速超級計算。因為量子計算機需要超級計算機來執行編譯、控制程序、糾錯、校準、及很多其他任務，它們將始終與超級計算機緊密耦合。對於某些任務，低延遲至關重要，因此量子和傳統處理器的位置需要非常接近。世界各地的超級計算中心已經開始集成 QPU，並被用於研究混合量子-經典計算的各個方面。

量子計算機仿真

仿真是構建任何複雜系統的寶貴設計工具。對於 NVIDIA 製造的每一塊晶片，仿真都是整個開發過程的關鍵，可幫助縮短開發周期，提高成本效益。量子計算硬件更是如此，這類硬件涉及尖端組件，只有通過深入了解其底層物理機制才能加以理解。許多量子組件還利用了特殊或未充分開發的材質，由於利用它們開展實驗極其困難或昂貴，因此必須進行仿真。

仿真也是開發和測試量子算法的關鍵，可幫助評估算法性能。這尤為重要，因為量子計算機的供應數量有限、噪音大、訪問受限且成本高昂，意味著在物理硬件上進行測試既不切實際，也不可行。而仿真可模擬現實設備中的噪音，或提供理想的無噪音結果。這種理論數據為評估實際量子計算輸出提供了重要基準，可幫助理解噪音模式，甚至就消除噪音提出建議。

重要的是，通過學習量子編程實戰教學內容，開發者和科學家無論是新手還是擁有經驗豐富，均可輕鬆運用強大的仿真工具。

AI 和量子計算

量子計算和 AI 有望建立協作關係。一方面，量子計算可加速運行 AI 應用，甚至有可能生成全新應用。許多此類應用被大致歸類為量子機器學習（QML）。QML 是一個新興領域，目前，已知可改進傳統 AI 的量子算法需要比第一代有用量子計算機高出好幾代的硬件才能實現。

但是，反過來利用 AI 來改進量子計算（通常稱為量子 AI）有望在不久的未來成為現實——實際上已經得到利用。AI 正用於幫助開發和運行量子計算機。新型量子算法和硬件性能都使用 AI 技術開發而來，這反過來又加速了量子計算路線圖。AI 也可用於應對操作量子計算機方面的挑戰，包括實現更高效的糾錯、校準、設備控制、任務調度和電路編譯。

AI 正成為量子計算的重要支柱，也是近期將量子計算硬件集成到世界上最大的一些超級計算機中心的主要動機。

量子計算機是否存在？

現有量子計算設備能夠準備、操控和讀出數百個量子位，很快這一數量將達到數千個。儘管這些設備採用了非常前沿的工程技術，但它們仍然處於實驗和演示階段。更具體地說，在執行有意義、有用的任務方面，當前的量子計算機無法與傳統計算機相比擬。

狹義來講，量子優勢通常指的是量子計算機的性能優於傳統計算機。然而，美國政府支持採用一個更合適的術語，即「實用規模量子計算」——強調作為解決方案，量子計算機必須具備成本效益才能發揮作用。在這種情況下，「成本」是一個廣義概念，可以指任何有意義的經濟、科學、社會或環境考量因素。

目前的設備仍無法改變整個行業，這主要是因為它們的數百個（或逐漸增多到數千個）量子位會受到噪音的負面影響。為了實現實用規模的量子計算，量子硬體、糾錯技術和算法的開發必須持續取得進展。與此同時，學生、行業專業人士和領域科學家必須具備量子素養。現在正是開發可用於實踐量子編程技能的教學內容，更全面了解有用的量子計算機適合解決哪些問題的最佳時機。

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