量子计算机一、量子计算机整体架构1、量子计算的定位：异构计算量子计算领域属于一个新兴高速发展的领域，在近二十年间，不论是量子算法的研究，还是量子芯片的研发均取得了巨大的进展。 由于量子计算的理论研究有限，目前所说的量子计算机并非是一个可独立完成计算任务的设备，而是一个可以对特定问题有指数级别加速的协处理器。 相应的，目前所说的量子计算，如下图所示，本质上来说是一种异构运算，即在经典计算机执行计算任务的同时，将需要加速的程序在量子芯片上执行。 量子高级语言，类似于经典计算机语言中C++。 5、量子程序的可执行文件对于经典程序来说，汇编语言转化为计算机可直接执行二进制文件，即可被经典计算机执行；而量子芯片可直接执行的文件并非一串01组合的二进制文件，而是由测控设备产生的精密的脉冲模拟信号，
问题描述 量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机，计算速度是其显著的优点。 近来，中科大潘建伟团队成功构建了量子计算机“九章”，能够对“高斯波色采样”进行快速的求解，具有重要的意义；本推文对相关的资料进行归纳汇总~ 上图展示了量子计算机潜在的应用场景：图a表述量子计算机在人工智能领域潜在的应用 ：2019年在Nature上看到量子计算与支持向量机之间的关联，前期推文进行了相关的整理量子机器学习；图b表述量子计算机在密码学领域潜在的应用；图c表述量子计算机在新材料研发领域潜在的应用：谷歌采用12 附录：相关思考 附1、量子计算机的发展历程？ 知道什么是量子计算，知道什么是计算机，然而什么是量子计算机呢，其发展历程主要是什么样子的~ 附2、量子计算机研究现状？ 量子计算机目前正处于试错阶段，目前主流的技术路径有超导、半导、离子陷、光学以及量子拓扑五个方向，每种方向都有相应的优势与弊端； 图a~b表述为谷歌在量子计算机方面的研究成果；图c~d表述为中科大在量子计算机方面的研究成果
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量子计算机硬件量子计算机的核心——量子芯片，具有多种不同的呈现形式。绝大多数量子芯片，名副其实地，是一块芯片，由集成在基片表面的电路结构构建出包含各类量子比特的量子电路。 但量子芯片不等同于量子计算机，它仅仅是量子计算机中的一个核心结构。量子计算机，是建立在量子芯片基础上的运算机器。 以上这些都需要特殊的硬件系统来实现，它们实现了量子计算机软件层到量子计算机芯片层的交互。 量子计算机硬件，主要包含两个部分，一个是量子芯片支持系统，用于提供量子芯片所必需的运行环境；另一个是量子计算机控制系统，用于实现对量子芯片的控制，以完成运算过程并获得运算结果。 为量子计算机专门设计并研制适用的量子计算机控制系统是明智的选择。目前，量子计算机控制系统的研究刚刚起步不久。
包括五子棋（或gomoku）和围棋（或go）的可扩展的棋盘游戏都被推广到可以在量子计算机上或通过量子计算机来玩。 我们采用三个原则来概括：前两个是确保游戏与量子计算机兼容，第三个是确保标准的经典游戏是特例。我们演示了如何构建基本的量子移动并使用它们来设置量子游戏。 玩量子化游戏有三种不同的方案：一台量子计算机与另一台量子计算机（QwQ），两台传统计算机在一台量子计算机上相互游戏（CQC），和一台传统计算机与另一台传统计算机（CwC）。 量子计算机棋盘游戏.pdf
作者表示，这种「概率计算机」可以解决一些通常认为需要依靠量子计算机解决的问题，但建造的条件没有那么苛刻（可在室温下运行），因此实现起来可能更加容易，他们还将「概率比特」称为「穷人的量子比特」。 从理论上来说，量子计算机前景广阔，但建造一台实用的量子计算机需要克服巨大的困难。一些怀疑者甚至认为，由于技术难度过大，人们可能无法在可预见的未来建造出一台通用量子计算机。 「概率比特」是基于量子比特（qubit）起的一个名字。费曼曾将这种这种概率计算机视为他所展望的量子计算机的一种对比。因此，我们问了自己一个问题：怎么才能造一个出来？ 量子计算机也做类似的事情，但它用的是量子比特，而不是概率比特。这就意味着，这里每条路径都有物理学家所说的概率振幅，它可以是负的。更准确地说，它是一个复数，既有实部也有虚部。 用概率比特模拟量子计算机在理论上是可能的，但这并不是一个实用的策略。尽管如此，与确定性计算机相比，概率计算机还是能在很多重要问题上提供显著加速，这就是为什么我们对建造这种计算机如此感兴趣。
当前，人们普遍认为量子计算机尚未做好实际应用的准备，且实现实用化仍需时日。本文将首先介绍量子计算机编程的一些基本原理，并解开误解。 然后介绍一些免费的开源软件，如IBM的QISKit以及量子机器学习软件PennyLane。本文还将解释如何在IBM云的量子计算机上运行程序。 什么是量子计算机？ 首先来谈一下量子计算技术及其前景。目前，出现在手机、笔记本电脑或者平板电脑中的计算机芯片都是由硅构成的。最常见的技术之一是使用一种特殊的光刻技术将细小的微观图案蚀刻到硅芯片上。 量子计算机旨在将量子力学行为“问题”作为处理信息的计算优势，其处理方式与在手机和笔记本电脑中常用二进制（1和0）处理方式完全不同。 可把量子计算机看作专用集成电路（ASIC），虽然形容不够准确，但是足以用于解释。将量子计算机当作一种特殊的计算机芯片，旨在比标准硅芯片更高效地执行特定计算。
无论是2012年开始入局的微软，还是才研发出50量子比特原型机没多久的IBM，亦或是放言“2017年底实现量子霸权”的谷歌，量子计算机于科技巨头来讲，是一条彰显实力的单独赛道。 △ 量子处理器Bristlecone（左）；设备的模拟图（右），其中每个“X”代表一个量子比特 量子计算双限制 错误率是所有量子计算机都要面临的一个主要问题。 受自身特性的限制，量子计算机通常需要在极低的温度下运行，讲道理是不受环境影响的。但由于目前的技术中量子比特仍然高度不稳定，因此任何噪声都可能导致错误。 正因如此，现代量子处理器中的量子比特不能算是真正的量子比特，可能称为许多位的组合更准确。 还有一个限制因素是，大多数系统只能在100微秒内维持自身状态。 △ 上图表示错误率与量子比特数之间的关系，红线表示Quantum AI Lab预期的研究方向 业界普遍认为，要实现量子霸权需要49量子比特，但谷歌认为说量子计算机不仅与量子比特相关。
瑞典量子计算机是由超导量子比特构成的，微芯片上的电子线路可以承载单光子的量子态。将许多量子连接起来比较容易，但是控制量子态和错误就很困难了。 研究人员已经学会控制单一的量子系统，比如单个的原子、电子和光子，这为全新技术的可能打开了大门，表明极速计算机、防截听通信和超敏感测量方法即将实现。 该计划的重点关注超导线路的量子计算机工程。 量子计算机的最小组成部分——量子比特——基于与当今计算机完全不同的原理，从而使量子计算机能够使用相对较少的量子比特处理大量数据。 Per Delsing “我们的目标是建造一台至少包含一百个量子比特的量子计算机。 美国、加拿大、日本和中国正在进行重大投资，欧盟将在2019年推出量子技术旗舰计划；谷歌和IBM也正在大力投资量子计算机，且他们所选的路线也是超导量子线路。
不过也有很多研究人员认为D-Wave采用的并不是纯正的量子计算原理，也因此并未得到整个行业的全面认可。 根据量子力学的原则，量子计算机操作一些在物理上非常细小的东西，例如电子和光子。 在经典计算机上，用晶体管存储一“位”信息，晶体管的开关状态分别表示0和1，而在量子计算机上，得益于叠加原理，信息在量子系统中可以同时存在两种状态，所以一个量子位上能同时存储0和1，因此可以实现更为高速的计算 而这一次，他们保证使用的是足够纯正的量子计算原理。 可以说该成就是实现全尺寸量子计算机道路上的重要里程碑，为硅量子计算机的实现提供了最基本的“积木”。 Andrew Dzurak说：“这使得量子计算机的制造变得更加可行，因为它是基于现在计算机行业正在使用的技术。” 据该校的博客称他们已经取得这些技术的专利，并且“正在寻求合适的行业合作伙伴。” 并有望在一到两年内开始量子计算器件的商业化进程。 看起来我们量子计算的梦想似乎已经实现了，也许几年之后，我们的手机的处理性能就会比现在的天河超级计算机更加强大了。
量子芯：位于圣芭芭拉的加州大学为研制量子位这一设备而开发的技术将用来在谷歌研制实用的量子计算机。 谷歌即将着手设计与制造用于量子计算机的硬件，这种机器可以利用量子物理学来解决传统计算机用数百万年才能解决的问题。 对于特定问题，量子计算机会远快于现有的任何计算机。这是因为，一同运行的量子位可以利用量子力学的奇怪特性迅速地抛弃某个解的错误路径并追踪导向正确路径。但量子位却难以使用，这是因为量子态非常微妙。 在2011年发布的的研究也表明，D-Wave的计算机芯片包含量子计算所需要的正确的量子物理学。但其是否以必要的方式利用这一量子物理学来释放量子计算机所承诺的加速，却缺乏依据。 可以根据手头的问题配置较大的这种量子位系统，从而运行几乎所有算法，就像传统计算机一样。为了达到实用效果，可能需要数以万计甚至更多的量子位来建造量子计算机。
策划&撰写：温暖 9月19日，IBM官方宣布将在纽约州波基普西开设新的量子计算中心，作为量子计算机的数据中心。 不仅如此，其还表示将于今年10月中旬向IBM Q Network客户提供53量子位量子计算机，据悉该计算机是迄今为止可供外部使用的最大通用量子计算机。 据了解，IBM将为这台量子计算机配备5台20量子位的量子计算机，11月将再增长4台，量子计算机95%的计算能力主要用于为用户提供服务。 吉尔表示：“自从2016年我们把第一台量子计算机放在云端以来，我们的目标是将量子计算从孤立的实验室转移到数万用户手中。” 传统计算机使用位或者二进制数来存储信息，量子计算机的不同在于可以采用广泛的中间值，这极大地增强了它们潜在的能力，也就是说每个额外的量子位都会指数级地提升计算能力，但这也会破坏计算机的稳定性，这是量子工程师需要解决的难题
作者 | 青暮 IonQ表示，按照IBM提出的行业指标衡量，其已经制造出了世界上最强大的量子计算机。 离子阱量子计算初创公司IonQ声称，该量子计算机具有所谓的“32个低量子门错误的完美量子比特”，预期其量子体积超过400万。 这个数字超过了远远超过了之前的纪录：霍尼韦尔在昨天刚刚宣布了128量子体积（QV128）的量子计算机。 量子体积是由IBM提出的一个专用指标，官方说法是“用于测量量子计算机的强大程度”的指标。 他们用53个量子比特的量子计算机Sycamore实现了量子优越性。 2020年8月，利用Sycamore量子处理器，谷歌AI量子团队还实现了有史以来最大规模的量子化学模拟（并且是首次利用量子计算机模拟化学反应），相关成果发表在Science封面，不过这个问题用经典计算机也能解决
这种指数级的扩展是QC能力的基础，但是今天噪声很大的中间尺度量子（NISQ）设备在可扩展性方面面临着重大的工程挑战。可以在NISQ器件上可靠运行的量子电路集受到噪声操作和低量子比特数的限制。 本文介绍了一种可扩展的混合计算方法CutQC，它将经典计算机和量子计算机结合起来，可以评估不能单独在经典计算机或量子计算机上运行的量子电路。 CutQC将大量子电路切割成更小的子电路，允许它们在更小的量子设备上执行。经典的后处理可以重建原始电路的输出。 此外，在实际系统运行中，CutQC使用小型原型量子计算机实现了比最先进的大型NISQ器件更高的量子电路评估保真度。 总的来说，这种混合方法允许用户利用经典和量子计算资源来评估远远超出任何一个单独的能力范围的量子程序。
谷歌的目标是构建可用于解决现实世界问题的量子计算机，其策略是使用与通用纠错量子计算机兼容的系统来探索近期的应用。 实际演示量子霸权的理论基础：量子计算机的“hello world”程序 量子计算融合了过去半个世纪的两次最大的技术革命——信息技术和量子力学。 如果我们使用量子力学的规则，而不是二进制逻辑来计算，一些棘手的计算任务就能变得可行。在追求通用量子计算机的过程中，一个重要目标是确定对于今天的经典计算机来说过于困难的最小计算任务。 如果制造出一个随机的、混沌的量子比特系统，并检验一个经典系统需要花费多长时间来模拟它，那么就可以很好地衡量一台量子计算机何时可以超越经典计算机。 可以说，这是证明经典计算机和量子计算机的计算能力之间呈指数分离的最强有力的理论建议。 为了确定量子霸权的边界在哪里，对随机量子电路进行采样已经迅速成为一个令人兴奋的研究领域。
我这几天在看消息时，发现一位网友提出“量子计算机的出现可能会对比特币及虚拟货币有很大影响"。正好今天可以跟着我了解一下啦! 量子2.png 先简单的说一下什么是量子计算机，它是一种全新量子理论的计算机，根据量子力学的规律进行 高速数学和逻辑运算，是一个存储及处理量子信息的物理装置。 之前谷歌就指出量子计算机相比于目前的计算机具有碾压性的优势，据谷歌研究人员称，谷歌的处理器能够在 3分钟内，完成目前全球排名第一的超级计算机 Summit 需要一万年才能完成的计算量子理论的计算机。 量子.jpg 不过按照情况发展来看现阶段大家是不用担心滴，即未来通用的量子计算机大规模出现，比特币也不一定有威胁。 量子计算机它只会威胁到 ECDSA 的安全性。
为了解决这一问题，提出了量子计算机：量子计算机可以做常规计算机所能做的一切，但也能够有效地模拟量子力学过程。这篇文章解释了量子计算机是如何工作的，同时，还将学习量子力学的基本原理。 在未来的一个世纪里，当我们拥有可伸缩的量子计算机时，许多问题将会变得非常容易，因为量子计算机非常适合模拟量子系统。 量子计算机不需要在经典计算机内存中增加一倍（或更多）的模拟原子，而只需要少量（且恒定）的额外量子位。 但是，量子计算机真的足够通用到高效模拟任何物理系统吗？量子计算机真的是通用设备吗？ 也许将来需要一些量子引力计算机，甚至比量子计算机更强大，来模拟量子引力。 我们转向另外一个问题：“我们能否利用量子计算机有效地模拟广义相对论和标准模型？” 和经典计算机一样，量子计算机也有各种各样的软件，包括量子操作系统，底层的量子操作指令、汇编语言，以及未来开发的量子应用软件和算法等等。 在量子计算机领域中，Google 一直被视为 “领头羊”。
量子计算机可以比传统计算机更快地解决某些问题。在药物开发、材料设计、天气预报、股票交易等事务上，量子计算机都可以提供帮助，它们可以同时执行大量的计算任务。 与其主要竞争对手一样，谷歌也正在构建所谓“通用门”量子计算机。它与传统计算机有相似之处，不同之处在于，标准计算机处理的0和1的数字位，量子计算机则使用“量子位”，它可以取0到1之间的任何值。 当量子位通过量子纠缠相互连接时，量子计算机有能力完成传统计算机上需要花数十亿年才能完成的计算任务。今天最大的量子计算机有大约20个超导量子位。 事实是，可以在今天的量子计算机上运行的算法其实并没有多大用处。比如，其中一种主要算法会使量子计算机产生随机数。这对于实现量子霸权非常有用，但对于其他方面呢？可能用处不大。 今天，一个单量子比特量子计算机成本就高达10000美元，这还没有考虑研发成本。以这个价格，一台真正有用的通用量子计算机仅硬件成本至少就要100亿美元。
Bristlecone，实现了1%的低错误率，与9个量子比特的量子计算机持平。 创纪录72量子比特量子计算机，错误率1%，可实现量子霸权 Julian Kelly介绍，这个最新设备遵循是谷歌之前提出的9个量子比特量子计算机的线性阵列技术所对应的物理学原理，而该技术显示的最佳结果如下 但是，要实现量子霸权，就不得不说刚才提到的量子模拟。目前最强大的超级计算机，只能模拟46个量子比特。在传统电子计算机上模拟通用量子计算机，是一个非常具有挑战性的前沿研究工作。 抢占2018量子霸权竞赛赛点，小型商用量子计算机5年内出现 除了量子比特，实现量子霸权还需要低的错误率。一台很快但错误率很高的量子计算机，还不如经典的超级计算机。 但是，至少谷歌认为，在制造出大规模量子比特量子计算机之前，我们可能会先实现一些小型的、甚至是商用的量子计算机，或者说量子计算商业应用。
周末在 ACM Queue 上读到一篇有关量子计算机的文章《The Complex Path to Quantum Resistance》，讲的是如何使用经典计算机对抗量子计算。 与传统计算机不同，量子计算机对量子位在叠加态下的使用，让量子计算机比传统计算机更快。这种计算能力的加速是量子计算对信息系统的安全和隐私构成威胁的原因。 而量子计算机本身强大的计算能力使得这两个算法存在破解的可能性，虽然现有的量子计算机暂时不具备规模化的能力，也不像传统计算机有着通用化的能力，但是不排除某些人会预先会获得并存储加密数据，直到量子计算机真正的规模化和通用化再进行解密数据 可以同时探索的组合数量取决于量子计算机可用的量子位数量。有了足够的量子比特，量子计算机就可以快速逆向计算计算难题并获得私钥。换句话说，可以从公钥中恢复私钥，并且可以解密被保护的信息。 无论初始参数的大小增加多少，导致更大的密钥，非对称密码系统所依赖的数学问题都可以在可扩展的量子计算机上在多项式时间内解决。因此，标准化和广泛使用的非对称密码系统将受到足够强大的量子计算机的严重影响。
接着，IonQ计划到2025年实现广义量子优势。 今年10月，IonQ宣布推出一款新的32量子位量子计算机，目前正在进行内测，并承诺将推出两台下一代计算机。 捕获离子量子计算机为何物？ 将该系统扩展到任意数量的量子位元的方案，使得捕获离子量子计算机系统成为可扩展的、通用的量子计算机最有前途的架构之一。截至2018年4月，被控制纠缠的粒子最多的是20个被捕获的离子。 随着量子计算机的改进，量子体积的数量增长过于快速，很快就会变得不可用。比如，其32量子位量子计算机的量子体积就可以达到400万。 不出所料，IonQ的量子计算机在使用这一指标时名列前茅。 “当然，每个公司的总裁都说他们的公司是最好的，”查普曼说。 IonQ希望在比较量子计算机的时候，算法量子位元可以取代物理量子位元。 我们计划到2023年拥有一台机架式量子计算机，可能在室温下高功率运行，所有计算机都会在量子网络上。”
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