什么是量子计算?
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IBM Quantum System One 的特写
什么是量子计算?

量子计算是一种快速崛起的技术,它利用量子力学定律来解决对经典计算机来说过于复杂的问题。 

如今,IBM Quantum 制造出了真正的量子硬件(这是一种科学家们在 30 年前才开始想象的工具),供成千上万的开发人员使用。 我们的工程师定期提供功能越来越强大的超导量子处理器,同时在软件和量子经典编排方面取得重大进展。 这项工作推动了改变世界所需的量子计算速度和能力。 

这些机器与已经存在了半个多世纪的经典计算机大不相同。 这是关于这种颠覆性技术的入门读物。

探索 IBM Quantum 系统

为什么我们需要量子计算机?

对于某些问题,超级计算机的表现并不那么出色。

当科学家和工程师们遇到难题时,他们把目光投向超级计算机。 这些是非常 庞大的经典计算机,通常具有数千个经典 CPU 和 GPU 核心。 然而,即使 是超级计算机,某些问题解决起来也十分困难。

如果超级计算机也无能为力,那可能是因为这台大型传统机器被要求解决 一个高度复杂的问题。 让传统计算机无能为力的原因通常是复杂性 复杂问题是许多变量以复杂方式相互作用的问题。 对 分子中单个原子的行为进行建模是一个复杂的问题,因为所有不同的电子都相互 作用。 在全球航运网络中为数百艘油轮挑选理想航线也是一项很复杂的任务 。

 


为什么量子计算机速度更快

我们来看一个经典计算机无能为力的情况下量子计算机却能成功应对的例子:

超级计算机可能很擅长处理诸如对大型蛋白质序列数据库进行分类这样的艰巨任务,但是很难发现数据中决定这些蛋白质行为的微妙模式。

蛋白质由一长串的氨基酸构成,当它们折叠成复杂的形状时,就会成为有用的生物机器。 弄清楚蛋白质的折叠方式是一个对生物学和医学都具有重要意义的问题。 

一台经典的超级计算机可能会尝试用蛮力折叠蛋白质,利用众多处理器检查各种可能的化学链弯曲方式,然后再得出答案。 但随着蛋白质序列变得越来越长、越来越复杂,超级计算机就会停止运行。 一条由 100 个氨基酸组成的链,理论上可以用数万亿种方式中的任何一种方式折叠。 没有哪台计算机所具有的工作内存足以处理单个折叠的所有可能组合。

量子算法采用了一种新方法来解决这些复杂的问题,即创建多维空间,在这些空间中,出现链接单个数据点的模式。 对于蛋白质折叠问题,这种模式可能是所需能量最少的折叠组合。 这种折叠组合就是问题的解决方案。

经典计算机无法创建这些计算空间,因此它们无法找到这些模式。 而对于蛋白质问题,已存在早期的量子算法,它们能够以更高效的全新方式找到折叠模式,而无需像经典计算机那样费力地执行检查程序。 随着量子硬件规模的扩大和这些算法的进步,它们可以解决对任何超级计算机来说都过于复杂的蛋白质折叠问题。


量子计算机如何工作?

量子计算机是优雅的机器,与超级计算机相比,体积更小,所需的能源也更少。 IBM Quantum 处理器是一块晶片,比笔记本电脑中的晶片大不了多少。 量子硬件系统大约有汽车那么大,主要由冷却系统组成,旨在使超导处理器保持超低运行温度。

经典处理器使用比特来执行操作。 而量子计算机则使用量子比特(CUE 比特)来运行多维量子算法。

超流体
您的台式计算机可能会使用风扇来冷却到适宜的工作温度。 而我们的量子处理器则需要非常低的温度 - 大约比绝对零度高百分之一度。 为了实现这一目标,我们使用超冷超流体来制造超导体。

超导体
在这些超低温度下,我们处理器中的某些材料表现出另一种重要的量子力学效应:电子可以毫无阻力地穿过这些材料。 这使它们成为“超导体”。 

当电子通过超导体时,它们会配对,形成"库珀对"。这些对可以通过名为"量子隧穿"的过程,携带电荷穿过势垒或绝缘体。 放置在绝缘体两侧的两个超导体形成约瑟夫森结

控制
我们的量子计算机使用约瑟夫森结作为超导量子比特。 通过向这些量子比特发射微波光子,我们可以控制它们的行为,并让它们保存、更改和读出单个量子信息单元。

叠加
量子比特本身并不是很有用。 但它可以执行一个重要的技巧:将它保存的量子信息置于叠加状态,这代表了量子比特所有可能配置的组合。 叠加的量子比特组可以创建复杂的多维计算空间。 在这些空间中,可以用新的方式来表示复杂的问题。

纠缠
纠缠是一种量子力学效应,可将两个独立事物的行为关联起来。 当两个量子比特纠缠在一起时,其中一个量子比特的变化就会直接影响到另一个。 量子算法利用这些关系来寻找复杂问题的解决方案


让量子计算机有用

IBM Quantum 在构建量子硬件方面处于世界领先地位。 我们的路线图是一个清晰而详细的计划,用于扩展量子处理器,克服扩展问题,并构建实现量子优势所需的硬件。

但量子优势仅靠硬件是无法实现的。 IBM 还花了数年时间推进使用量子计算机完成有用工作所必需的软件。 我们开发了 Qiskit 量子 SDK。 它是开源的且基于 python,并且是迄今为止世界上使用最广泛的量子 SDK。 我们还开发了 Qiskit Runtime,这是世界上最强大的量子编程模型。 (在下一节中了解有关 Qiskit 和 Qiskit Runtime 以及如何入门的更多信息。)

实现量子优势需要找到一些新方法来减少错误、提高速度并协调量子和经典资源。 目前正在 Qiskit Runtime 中给这项工作打基础。


入门

IBM 的量子计算机使用 Qiskit(链接位于 ibm.com 外部)进行编程。Qiskit 是我们基于 python 的开源量子 SDK。 Qiskit 拥有专用于金融、化学、最优化和机器学习的模块。

  • 请查看文档(链接位于 ibm.com 外部),以快速入门并深入了解我们的开发者工具套件。
  • 构建要在模拟器或实际硬件上运行的研发级别代码。
  • 加入我们不断增长的社区(超过 400000 名用户)

准备好应对更大的工作负载了吗? 使用 Qiskit Runtime(我们的量子编程模型)可以大规模执行,从而高效地构建和扩展工作负载。 通过 Qiskit Runtime,用户可以轻松访问世界上性能最高的量子系统上的 HPC 混合计算,以部署定制量子经典应用程序。 Qiskit Runtime 提供了一个执行环境,用于将量子电路与经典处理能力整合在一起,从而从根本上加速某些量子程序的执行。 这意味着,在世界领先的量子系统上可以实现更快的迭代、更少的延迟和更不受限制的计算时间:Qiskit Runtime 基于云的执行模型在模拟分子行为方面展示了 120 倍的加速