量子门黑客-将游戏黑客的想法应用到量子计算

　　PNNL量子算法理论家兼开发者Nathan Wiebe正在将数据科学和游戏黑客的想法应用到量子计算中。

　　每个研究量子计算机的人都知道这种设备很容易出错。量子编程的基本单元——量子门——大约每100次操作就会失败一次。错误率太高了。

　　当硬件开发人员和编程分析师还在为失败率而烦恼时，PNNL的内森?维贝正在努力编写代码，他相信一旦量子计算机准备就绪，这些代码就能在量子计算机上运行。在华盛顿大学担任物理学教授的同时，Wiebe正在培训下一代量子计算理论家和程序员。

　　一方面，Wiebe感叹道:“我们现在所处的位置和我们需要达到的位置之间存在着巨大的鸿沟。”

　　但很快，他就把质疑抛在一边，解释说:“我们已经在做真正有趣的事情了。”

　　正是这种锐意进取的心态，使他成为了量子算法开发领域的全球领导者，仅在过去五年里，他就与十几个不同的国际合作伙伴建立了合作关系，并发表了91篇关于量子算法的论文。

　　游戏规则适用于量子门

　　为量子计算机编码需要想象力的飞跃，这在某种程度上是令人生畏的，但Wiebe指出，任何15岁的Minecraft爱好者都可以毫不费力地理解它的基本工作原理。这款广受欢迎的积木视频游戏催生了一个充满热情的程序员社区，他们在游戏环境中创建虚拟计算机。《我的世界》的程序员们模拟了现实世界的物理现象，创造了虚拟计算器，还有其他的成就。《我的世界》的宇宙有自己的内部规则，其中一些并不太有意义——就像量子宇宙的一些规则甚至连物理学家都不清楚一样。

　　我的世界

　　尽管玩家不理解《我的世界》中的规则为何会以这种方式运行，但他们会学习《我的世界》的物理原理，并进一步探索如何利用这些知识执行游戏创造者可能没有打算执行的任务。量子计算机程序员也面临着类似的挑战。他们面临着量子力学的奇怪规则，并试图找到创造性的方法来“入侵”这些规则，以构建计算机，在某些情况下，通过使用普通计算机缺乏的干涉和纠缠等量子效应，可以比普通计算机更快地解决问题。

　　“在量子计算机上，当你试图测量量子比特时，它们会恢复为普通比特。在这个过程中，它们失去了赋予量子计算能力的特性。”“使用量子计算机，你必须比使用普通计算机更微妙。你必须在不破坏编码在那里的信息的情况下，诱导出有关系统的信息。”

　　“我们发现了量子力学的这些奇怪规则，”他说。“但直到现在，我们才开始思考如何利用这些规则来进行计算。”

　　就像蒸汽机一样

　　维贝喜欢用第一个现代蒸汽机的发明者詹姆斯·瓦特来做类比。在18世纪末，人们还不清楚蒸汽机所能提取的能量的极限。o直到后来，法国物理学家萨迪·卡诺(Sadi Carnot)才发现，有一些不变的物理定律限制了热机的效率。这一发现被称为热力学第二定律，现在被视为科学的基石。就像对热机效率的研究揭示了热力学第二定律一样，对量子计算的研究有可能揭示物理学对我们计算能力的限制，以及它为各个领域之间的合作提供的新机会。

　　瓦特蒸汽机。来源:Nicolás Pérez, CC BY-SA 3.0

　　维贝说，量子计算不仅仅是物理。它存在于许多领域的交叉点，包括物理、计算机科学、数学、材料科学，以及越来越多的数据科学。事实上，他看到了数据科学和机器学习在量子计算中尚未发挥的巨大作用。

　　“像瓦特和卡诺一样，我们不一定需要捕捉系统内部发生的所有细节，”韦博说。“我们所能做的就是预测投入和产出。因此，数据科学和机器学习工具可能会对量子计算机的实际工作产生很大影响。”

　　Diamo初步的NDS

　　最早有用的量子技术之一可能是量子传感器——利用量子信号来测量温度和磁场等东西的设备。维贝与一个国际团队的同事合作，将机器学习技术应用于量子传感中的一个棘手问题。

　　生物学家想用这些传感器来测量单个细胞内部发生的事情。这种传感器是由带有某些缺陷的钻石制成的，可以用来发送量子信号。问题是，在室温下，量子传感器信号包含太多的误差，不切实际。研究团队只有将整个装置冷却到液氦温度(?452.2°F)，才能使实验成功，而这显然对活细胞不利。

　　Wiebe和他的同事解决了这个问题，他们在室温下进行实验，然后应用一种算法，利用数据分析和机器学习的技术来纠正容易出错的、有噪声的信号。

　　他说:“我们在没有额外成本的情况下获得了与极冷低温实验相同的灵敏度。”

　　Wiebe说，应用同样的原理可能正是修正有噪声、容易出错的量子门所需要的。他提出的问题是:“我需要多大程度的量子纠错才能保证我的算法能够运行?”

　　Wiebe坚定地认为，要使量子计算实用，需要多个领域的研究人员共同努力，学习彼此的语言。

　　他说:“如果我们能建造一台量子计算机，那么我们就有能力解决目前在化学、材料科学和物理方面的棘手问题。”“这种挑战既施加了限制，也提供了新的机会。量子计算迫使我们对计算的意义有更深入的理解。”