量子門黑客——將遊戲黑客的想法應用到量子計算中

2020-10-20 工程學習

PNNL量子算法理論家和開發者Nathan Wiebe正在將數據科學和遊戲黑客的想法應用到量子計算。

每個在量子計算機上工作的人都知道這種設備很容易出錯。量子編程的基本單元——量子門——大約每100次操作就失敗一次。而且錯誤率太高了。

當硬體開發人員和編程分析人員為失敗率而擔憂時，PNNL的Nathan Wiebe正在努力編寫代碼，他相信當量子計算機準備好時，這些代碼可以在量子計算機上運行。作為華盛頓大學的物理學教授，Wiebe正在培訓下一代的量子計算理論家和程式設計師。

一方面，Wiebe感嘆道:「我們現在的狀況和我們需要的狀況之間存在著巨大的差距。」

但同樣快的是，他無視質疑，解釋說:「我們已經在做真正有趣的事情了。」

正是這種進取的心態使他成為量子算法開發領域的全球領導者，僅在過去的5年裡，他就有12個不同的國際合作夥伴，出版了91篇關於量子算法的出版物。

遊戲規則適用於量子門

為量子計算機編寫代碼需要想像力的飛躍，這在某種程度上可能令人生畏，但Wiebe指出，任何一個15歲的《我的世界》愛好者理解它的基本原理都不會有問題。這個廣受歡迎的積木視頻遊戲催生了一個熱情的程式設計師社區，他們在遊戲環境中創建虛擬計算機。《我的世界》的編碼員們模擬了真實世界的物理環境，創造了虛擬計算器，還有其他一些成就。《我的世界》的宇宙有它自己的內部規則，其中一些不太有意義——就像量子宇宙的一些規則即使對物理學家來說也不清楚一樣。

儘管玩家不明白《我的世界》中的規則為何會如此運作，但他們可以學習《我的世界》中的物理原理，並進一步了解如何利用這些知識去完成遊戲創造者可能沒有打算完成的任務。量子電腦程式員也面臨著類似的挑戰。他們面臨著量子力學的奇怪規則，並試圖找到創造性的方法來「侵入」這些規則來建造計算機，在某些情況下，通過使用普通計算機所缺乏的幹涉和糾纏等量子效應，可以比普通計算機更快地解決問題。

「在量子計算機上，當你嘗試測量量子位元時，它們會還原為普通位元。在這個過程中，它們失去了賦予量子計算能力的那些特徵。「使用量子計算機，你必須比使用普通計算機更加精細。你必須在不破壞系統中編碼的信息的情況下引出系統的信息。」

「我們發現了量子力學的這些奇怪規則，」他說。「但直到現在，我們才開始思考如何利用這些規則來進行計算。」

就像蒸汽機一樣

Wiebe喜歡用James Watt的類比，他是第一臺現代蒸汽機的發明者。在18世紀晚期，人們還不清楚蒸汽機的功率限制。直到後來，法國物理學家薩迪·卡諾才發現，存在著限制熱機效率的不可改變的物理定律。這一發現被稱為熱力學第二定律，現在被視為科學的基石。正如熱引擎的效率的研究揭示了熱力學第二定律,量子計算的研究有可能揭示更深的理解物理地點的限制我們的計算能力,以及它所提供的新機遇之間的合作領域。

瓦特蒸汽機。作者:Nicolas Perez, CC BY-SA 3.0

Wiebe說，量子計算不僅僅是物理學。它存在於許多領域的交叉，包括物理、計算機科學、數學、材料科學，以及越來越多的數據科學。事實上，他看到了數據科學和機器學習在量子計算中巨大的未開發的作用。

「就像瓦特和卡諾一樣，我們不需要捕捉系統內部發生的所有細節，」Wiebe說。「我們所要做的就是預測輸入和輸出。因此，數據科學和機器學習工具可能會對量子計算機的實際工作產生很大影響。」

未加工的鑽石

首批有用的量子技術之一可能是量子傳感器——一種使用量子信號來測量溫度和磁場等東西的設備。Wiebe與一個國際團隊的同事合作，將機器學習技術應用到量子傳感的一個棘手問題上。

生物學家想用這些傳感器來測量單個細胞內部的情況。這種傳感器是由帶有某些缺陷的鑽石製成，可以用來發送量子信號。問題是，在室溫下，量子傳感器信號包含了太多的誤差，難以實現。研究小組無法進行實驗，除非整個系統被冷卻到液氦溫度(−452.2華氏度)，這顯然對活細胞不利。

Wiebe和他的同事們解決了這個問題，他們在室溫下進行了實驗，然後應用了一種算法，該算法使用了數據分析和機器學習的技術來校正容易出錯的、有噪聲的信號。

他說:「我們在沒有額外成本的情況下獲得了與極冷低溫實驗相同的靈敏度。」

Wiebe說，應用同樣的原理來修正有噪聲、容易出錯的量子門可能正是我們所需要的。他問的問題是:「我需要多少量子誤差修正才能保證我的算法能夠運行?」

Wiebe堅信，要使量子計算成為現實，需要許多領域的研究人員進行跨學科的努力，學會說彼此的語言。

他說:「如果我們能建造一臺量子計算機，那麼我們就有能力解決目前化學、材料科學和物理領域的棘手問題。」「這一挑戰既帶來了限制，也提供了新的機會。量子計算迫使我們對計算意味著什麼有了更深的理解。」

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