量子门黑客–将游戏黑客的思想应用于量子计算

PNNL量子算法理论家和开发商Nathan Wiebe正在将来自数据科学和游戏黑客的思想应用于量子计算。

每个在量子计算机上工作的人都知道这些设备容易出错。量子编程的基本单元-量子门-每一百次操作就会失败一次。而且错误率太高了。

在硬件开发人员和程序分析人员对故障率感到担忧的同时，PNNL的内森·维比（Nathan Wiebe）正在努力编写代码，他相信代码准备就绪后将可以在量子计算机上运行。在担任华盛顿大学物理学教授的联席任命中，韦伯正在培训下一代量子计算理论家和程序员。

一方面，维伯感叹道：“我们现在所处的位置与我们所需要的位置之间存在着巨大的鸿沟。”

但很快，他就排除了疑虑，并解释说：“我们已经处在做真正有趣的事情的时刻。”

正是这种进取的心态使他成为量子算法开发领域的全球领导者，仅在过去的五年中，他就与十几个不同的国际合作伙伴建立了91种有关量子算法的出版物。

游戏规则适用于量子门

量子计算机的编码需要想象力的飞跃，这可能是艰巨的，但是Wiebe指出，任何15岁的Minecraft爱好者都可以毫无疑问地了解它的工作原理。广受欢迎的构件视频游戏催生了一群热心的程序员，他们在游戏环境中创建虚拟计算机。Minecraft编码人员已经模拟了现实世界的物理过程，并创建了虚拟计算器，这是一项壮举。Minecraft宇宙具有自己的内部规则，其中一些规则不太有意义-就像物理学家甚至对量子宇宙的某些规则似乎都不了解一样。

我的世界

尽管不了解Minecraft中的规则为什么会如此工作，但玩家还是学习了Minecraft的物理原理，并进一步了解了如何利用这些知识来执行游戏创作者可能没有打算的任务。量子计算机程序员也面临类似的挑战。他们面对着量子力学的怪异规则，并试图找到创造性的方法来“破解”它们，以建造计算机，在某些情况下，它们可以通过使用诸如普通量子干涉和纠缠之类的量子效应来比普通计算机更快地解决万亿倍的问题。电脑不足。

“在量子计算机上，当您尝试测量量子位时，它们会还原为普通位。在此过程中，它们失去了赋予量子计算功能的功能。”“使用量子计算机，您必须比使用普通计算机更加微妙。您必须哄骗有关系统的信息，而又不破坏其中编码的信息。”

他说：“我们发现了这些奇怪的量子力学规则。”“但是直到现在，我们才问我们如何利用这些规则来进行计算。”

就像蒸汽机

Wiebe喜欢使用第一个现代蒸汽引擎的发明者James Watt的类比。在1700年代后期，人们不了解可以从蒸汽机提取功率的限制。直到后来，法国物理学家萨迪·卡诺特（Sadi Carnot）才发现存在不变的物理定律，从而限制了热机效率。这种观察被称为热力学第二定律，现在被视为科学的基石。正如对热机效率的研究揭示了热力学的第二定律一样，对量子计算的研究也有可能揭示对物理学对我们计算能力的限制及其提供的新机会的更深刻的理解。在各个领域之间进行协作。

瓦特蒸汽机。

韦伯说，量子计算不仅仅是物理学。它存在于许多领域之间的交汇处，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。的确，他认为数据科学和机器学习在量子计算中将发挥巨大的作用。

Wiebe说：“像Watt和Carnot一样，我们不一定需要捕获系统内部发生的所有细节。”“我们要做的就是预测输入和输出。因此，数据科学和机器学习工具在使量子计算机切实可行方面可能会产生很大的影响。”

钻石原石

最早使用的量子技术之一可能是量子传感器，即使用量子信号来测量温度和磁场之类的设备。Wiebe与一个国际团队合作，将机器学习技术应用于量子传感中一个棘手的问题。

生物学家希望使用这些传感器来测量单个细胞内部的情况。传感器由具有某些缺陷的钻石制成，可用于发送量子信号。问题在于，在室温下，量子传感器信号包含太多的误差，难以实用。除非将整个装置冷却至液氦温度（452.2F），否则研究小组无法使实验正常进行−，°这显然不利于活细胞。

Wiebe和他的同事通过在室温下运行实验，然后应用一种算法来解决该问题，该算法使用了数据分析和机器学习中的技术来校正容易出错的噪声信号。

他说：“我们获得了与非常低温的低温实验相同的灵敏度，而无需支付额外费用。”

Wiebe说，应用相同的原理可能只是校正嘈杂的，容易出错的量子门所需要的东西。他问的问题是：“我需要保证我的算法能够运行多少量子纠错？”

Wiebe坚持认为，要使量子计算切实可行，将需要学习彼此语言的许多领域的研究人员共同努力，开展跨学科研究。

他说：“如果我们能建立量子计算机，那么我们就有能力解决化学，材料科学和物理领域目前棘手的问题。”“挑战既施加了局限性，又提供了新的机遇。量子计算迫使我们对计算的含义有更深入的了解。”