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Amazon Braket – 开始使用量子计算

大约十年前的愚人节,我写了一篇关于量子计算云的文章。未来已经到来,您现在有机会编写量子算法并在实际的量子计算机上运行这些算法。以下是我们今天要宣布的内容:

Amazon Braket – 一项完全托管的服务,可使科学家、研究人员和开发人员开始尝试在同一个位置使用多个量子硬件提供商提供的计算机。Bra-ket 表示法常用于表示量子力学状态,并且会启发服务名称。

AWS 量子计算中心 – 毗邻加州理工学院 (Caltech) 的研究中心,将汇聚世界领先的量子计算研究人员和工程师来加快量子计算硬件和软件的开发。

Amazon Quantum 解决方案实验室一项新计划,可让 AWS 客户与 Amazon 的量子计算专家和一组精选的咨询合作伙伴联系。

什么是量子计算
普通(传统)计算机使用位的集合来表示它们的状态。每个位明确为 0 或 1,如果您有 n 个位,则可能的状态数量为 2n。1 个位可能为 2 种状态中的任一个,2 个位可能是 4 个状态中的任何一个,如此等等。内存为 1 MiB 的计算机有 2(8*1048576) 种状态,不包括 CPU 寄存器和外部存储。这个数字很大,但它的有限的,可以计算。

量子计算机使用更复杂的数据表示,称为 qubit 或量子位。每一个 qubit 可以处于状态 1 或 0,但也可以处于 1 和 0 的叠加,这表示 qubit 同时处于两种状态。此类状态可以通过包含一对复数的二维矢量指定,从而形成无限种状态。每一个复数都是概率幅度,基本为 qubit 分别是 0 或 1 的几率。

传统计算机在给定时间可以处于这 2n 种状态中的一种,但量子计算机可以同时处于所有状态。

如果您已从事 IT 行业一段时间,那么您应该知道是摩尔定律让我们能够生产出在拇指驱动器上存储 2 TB(我写这篇文章时)数据的内存芯片。实现这一点的物理和化学过程是惊人的,但很值得研究。遗憾地是,这些过程不能直接应用于制造包含量子位的设备;我写这边文章时,最大的量子计算机包含大约 50 个量子位。这些计算机建立于几种不同的技术,但它们似乎有两个共同属性:它们很稀缺,而且它们必须在精心控制的物理环境中运行。

工作原理
量子计算机的工作原理是,通过控制状态矢量的振幅。要对量子计算机进行编程,您要弄清您需要多少量子位,将它们连接成一个量子电路,然后运行这个电路。当您建立电路时,您要将电路设置为,正确答案是最可能的一个,其余的所有答案都是极不可能的。传统计算机使用布尔逻辑并使用 NOT、OR 和 AND 门构建,而量子计算机使用叠加和干涉,并使用具有新奇名称(X、Y、Z、CNOT、Hadamard、Toffoli 等等)的量子逻辑门构建。

这是一个非常年轻的领域:该模型第一次提出是在 20 世纪 80 年代初,随后不久,人们意识到,量子计算机可以执行传统计算机无法实现的量子力学系统模拟。量子计算机在机器学习、线性代、化、密码学、物理模拟、搜索和优化方面都有应用。例如,秀尔算法显示如何高效分解任何大小的整数(此视频进行了很好的说明)。

展望未来
今天的公钥加密实现之所以安全是因为分解大整数需要进行大量计算。根据密钥的长度,分解(然后破解)密钥的时间从几个月到无止境(超过宇宙的预计寿命)不等。然而,当可以使用具有足够量子位的量子计算机时,分解大整数将变得即时、微不足道。事实证明,定义“足够”远超我在这篇博文中所能涵盖(或完全理解)的范围,并且还对逻辑和物理量子位、噪声比、错误校正等等带来了差异!

当您考虑中期加密和数据保护时,您需要记住这一点,而且您还需要了解后量子密码学。今天,s2n(我们对 TLS/SLSL 协议的实现)已包含两种抗量子性的不同密钥交换机制。考虑到一种新的加密协议需要大约 10 年时间才能被广泛且安全地使用,现在展望使用大规模量子计算机的时代还为时过早。

量子计算绝不是当今的主流,但这个时代即将到来。它是一个非常强大的工具,可以解决传统方法难以解决或无法解决的某类问题。我猜想,在 40 或 50 年内,很多应用程序将部分使用在量子计算机上运行的服务。因此,最好将它们想象为 GPU 或数学协处理器。它们不会被单独使用,但会是传统/量子混合解决方案的一个重要部分。

下面的来介绍我们的服务
我们的目的是确保您对量子计算有足够的了解,从而开始寻找一些合适的使用案例并执行一些测试和实验。我们希望建立一个扎根于现实的牢固基础,并希望与您共同迈向由量子驱动的未来。

好的,在这个说明下,我们开始吧!

Amazon Braket
这项新服务旨在让您获取一些关于量子位和量子电路的动手实践体验。您可以在模拟环境中构建和测试您的电路,然后在实际的量子计算机上运行它们。Amazon Braket 是一项完全托管型 AWS 服务,每一层都包含安全和加密。

您可以通过笔记本式界面访问 Amazon Braket

Python 代码使用 Amazon Braket 开发工具包。您可以用一行代码(据我的同事称,这是“介于量子位 0 与量子位 1 之间的最大纠缠 Bell 态”)创建一个量子电路:

bell = Circuit().h(0).cnot(0, 1)

然后用另一行代码运行它:

print(device.run(bell, s3_folder).result().measurement_counts())

除了以传统方式支持的模拟环境之外,Amazon Braket 还提供从 D-WaveIonQRigetti 访问量子计算机。这些设备有几个共同点:它们是采用前沿技术,它们的构建和运行都很昂贵,而且它们通常在一个非常极端和专业的环境中运行(过冷或近真空),必须保持无电、无热和无磁噪声。综上所述,我可以有把握地说,大多数组织将永远不会拥有量子计算机,而且会发现基于云的按需模型更适合。生产规模的量子计算机很可能是第一个纯云技术。

真正的量子计算机是艺术作用,我很高兴能够分享一些很酷的照片。这是 D-Wave 2000Q

Rigetti 16Q Aspen-4

IonQ 线性离子阱

AWS 量子计算中心
正如我前面所提到的,量子计算仍然是一个很年轻的领域;有很多是我们尚不知道的,科技突破空间很大。

我很高兴地宣布,我们正在组建 AWS 量子计算中心。它毗邻 Caltech 校园,我们这样做的目的是希望汇聚全球顶尖人才,加速发展。我们将研究在未来的某一天也许会使量子计算机可以大规模生产的技术,同时也将努力找出能在量子计算机上得到最佳解决的应用。这两项都是长期挑战,我期待在未来的十年或二十年看到进展。

Amazon Quantum 解决方案实验室
我们知道,这是一项新奇有趣的技术,而且我们知道您希望学习、培养自己的技能,并制定一些将量子计算投入使用的计划。

通过 Amazon Quantum 解决方案实验室,您将能够挖掘到我们及我们的咨询合作伙伴的专业知识。我们的目标是与您一起寻找这些实际用途,并帮助您建立自己的合格量子开发人员“工作台”。

您还能够利用 Quantum 解决方案实验室的研究与合作机会。

量子计算资源
下面这些参考资料可能会对您有帮助。有些会让您觉得头晕目眩,但如果我能理解哪怕一点点,那么您也能:

The Quantum Computing Party Hasn’t Even Started Yet – 对量子领域进行的非常温和的概述。

Wikipedia – Quantum Computing – 一个很好的总结,包含很多链接和图表。

How Quantum Computers Break Encryption | Shor’s Algorithm Explained – 有用的视频。如果您希望了解 TL;DR,请跳至 8:03

Quantum Computation and Quantum Information –(他们说)是关于这门学科的权威教科书。

Quantum Computing for the Determined – 由 22 个视频短片组成的一个系列,从 The Qubit 开始。

Quantum Computing for the Very Curious – 前述视频作者写的长篇文章。

Quantum Computing Expert Explains One Concept in 5 Levels of Difficulty – 正如标题所说,向 5 种不同的人解释量子计算。

Quantum Supremacy Using a Programmable Supercomputing Processor – 一个重要的结果,也是一个重要的里程碑,显示量子计算机在解决特定类型问题时如何超越传统计算机。请务必阅读 Scott Aaronson 的 Supreme Quantum Supremacy FAQ

This is What a 50-qubit Quantum Computer Looks Like – IBM 50-qubit 计算机的惊人图片故事。

Shtetl-OptimizedScott Aaronson 教授已从事量子计算研究编写博客写作很长时间。

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本篇作者

Jeff Barr

AWS 首席布道师; 2004年开始发布博客,此后便笔耕不辍。