如何测量量子计算机的性能或能力

尽管量子计算机尚未完全展示出相对于传统计算机的优势，但大量资金已经投入其中，有望在未来显现出潜力，这是一场持续的国与国的竞争。原文标题为《The Race Toward Quantum Advantage》，有删减，来给读者了解这个领域的专家看法。

在20世纪90年代中期，早期的量子计算机问世，当时数学家证明了应用量子方法解决某些问题的有效性。研究人员仍在使用传统计算机进行模拟，但这标志着竞赛开始，人们争相建造可以直接解决问题的高效量子计算机。一些公司在2019年宣称首次实现了量子计算机相对于传统计算机的优越性，但大多数专家认为我们距离实现这种交叉点还需要几年的时间。虽然从理论上讲，量子计算机已经达到了这个水平，但在实际应用中，我们还没有完全实现量子计算的优势。

IBM的量子与信息技术研究员兼首席科学家Heike Riel在最近的设计自动化会议上指出：“量子计算机已经存在，但仍处于非常早期的阶段。我们目前正处于制定量子计算路线图的阶段，以引导我们实现量子优势，但我们还没有完全达到这一点。量子优势是指量子计算机可以执行传统计算机无法完成的任务，或者可以更快、更精确或更节能地执行任务。”

要实现量子优势，还有很长的路要走。Mohamed Hassan，德科技量子解决方案规划负责人指出：“各国政府（包括美国、欧洲、中国等）正在大力投资于量子计算领域。由于这项技术的巨大潜力以及对通信和安全的潜在影响，各国都在争相推动这一技术的发展。大型科技公司（如IBM、谷歌、英特尔）也在投入巨资，计划在2030年之前建立具备量子优势的实用量子计算机。此外，许多初创的量子计算公司（如IonQ、Rigetti、D-Wave等）已经在股票市场上市。”

了解和解决量子计算所涉及的问题与传统计算有所不同。一个典型的量子应用案例是优化问题。慕尼黑工业大学教授Robert Wille在DAC TechTalk上表示：“我们需要找到最优解，并在最坏的情况下必须穷举所有可能性。在设计自动化领域，没有人会通过枚举来解决任何复杂的全局优化问题。我们有专门的设计自动化方法、SAT求解、决策图等强大技术。但最终，我们仍然面临极其复杂的问题。这正是量子计算发挥作用的地方。量子计算允许您同时将输入初始化为0和1，然后处理您的问题，从概念上来说，您会同时获得所有可能的结果。量子计算机允许您使用所有可能的输入来解决问题。然后，您将获得一个输出状态，该状态以某种方式编码在包含所有可能的解决方案的量子输出状态中（包括您感兴趣的解决方案）。然而，问题在于，当我尝试测量这个输出状态时，我只能以一定的概率得到可能的结果之一，我只能获得其中的一个解决方案。但您可以使用一些技巧，从而增加获得所需结果的可能性。”

在实现量子优势之前，仍然有许多挑战需要克服。尽管公众关注的重点通常是硬件，但如何测量量子计算机的性能或能力仍然存在很多讨论。此外，构建更强大的量子计算机以及将应用程序有效地映射到这些计算机上所需的软件工具链也需要大规模的软件开发。这个工具链包括开发环境、编译器和调试器等组件，所有这些都仍在不断发展之中。

传统上，EDA（电子设计自动化）行业从高级电子系统描述开始，然后通过编译和优化逐步转化成晶体管级别，最终形成物理布局，并最终进入硅芯片制造。量子算法也需要经历类似的过程，需要将它们映射到量子硬件结构上。目前，大多数应用程序都是手工映射的，但这会使扩展变得非常困难。

慕尼黑工业大学的Wille指出：“致力于量子计算设计自动化的人并不多。这真是令人遗憾，因为我真的相信，我们的社区凭借其背景和专业知识，以及我们已经开发的方法和工具，可以为量子计算专家提供巨大的帮助，特别是那些正在开发量子计算技术的人们，他们需要将量子计算应用到实际问题中。”

在了解和解决这些挑战之前，有必要对量子计算有一些基本了解。IBM的Riel解释说：“量子计算机的主要输入是复数，与传统计算机的二进制输入不同。量子位描述了测量后发现状态为1或0的概率。此外，还有量子电路，它由一系列量子门操作组成，是量子计算的计算单位。量子计算性能的缩放行为由2^n个状态决定。如果量子位的数量超过100个，那么您将获得经典计算机无法模拟的结果，尽管这在今天还不可能。”

综合而言，衡量量子计算性能的关键指标包括规模（量子位数量）、质量（电路保真度和速度），以及功耗。不仅如此，量子计算机使用多种技术，例如超导量子比特、离子捕获、自旋或量子点等，每种技术都需要相应的电子设备来实现。不同技术之间的差异需要开发不同的EDA工具和流程，以便将应用程序映射到不同类型的量子计算机架构上。

最后，虽然量子计算机的发展前景令人兴奋，但在实现量子优势之前，还需要克服许多技术和软件挑战。随着各国政府和科技公司的投资不断增加，我们有望在未来看到量子计算的巨大潜力得以释放。

编辑：黄飞