AWS 首席布道师 Jeff Barr:量子计算机无法被拥有,云端量子计算服务最合理

阅读数:774 2019 年 12 月 4 日 08:00

AWS 首席布道师 Jeff Barr:量子计算机无法被拥有,云端量子计算服务最合理

美国时间 2019 年 12 月 2 日, AWS re:Invent 的第一天,在这一天里,AWS 在量子计算领域的布局初次展现。AWS 的首席布道师 Jeff Barr 在其官网的发文中写到:从 Amazon Braket 开始量子计算之旅。

Amazon Braket 是一项全托管服务,允许科学家、研究人员以及开发人员以集中方式试验来自多家量子硬件供应商的新型计算机。Braket 也就是“括号”,物理学家用它来表示量子力学状态,AWS 的服务也正是得名于此。

除此之外,AWS 的在量子计算领域的布局还包括另外两项:AWS 量子计算中心和 Amazon 量子解决方案实验室。

AWS 量子计算中心坐落于加州理工学院隔壁,汇集了全球各地的量子计算研究人员与工程师,致力于加快量子计算硬件与软件的开发工作。而 Amazon 量子解决方案实验室则是一个全新的项目,旨在将 AWS 客户与亚马逊的量子计算专家以及精选咨询合作伙伴联系起来。

布局了十年?

AWS 的首席布道师 Jeff Barr 在官网发文中写到,自己在十年前的愚人节曾经写过一篇关于量子云计算的文章,虽然那时是笑话,但现在它变成了现实,人们可以真正去体验量子云计算并将自己编写的算法运行在真实的量子计算机之上。

虽然说 AWS 布局量子计算长达十年的时间有点“虚”,但 Jeff Barr 在其文中的的三项“正式宣布”,却是掷地有声。

一、Amazon Braket

Amazon Braket 旨在帮助用户积累起关于量子比特及量子电路的实践经验。大家可以在模拟环境中构建并测试自己的电路,而后在实际量子计算机上进行运行验证。Amazon Braket 是一项全托管 AWS 服务,并在各个层面引入安全性与加密机制。

人们可以通过 notebook 式界面访问 Amazon Braket:
AWS 首席布道师 Jeff Barr:量子计算机无法被拥有,云端量子计算服务最合理

以上 Python 代码用到了 Amazon Braket SDK,这意味着大家可以使用一行代码就创建出一套量子电路(根据同事们的说法,其代表着「量子比特 0 与量子比特 1 之间的最大纠缠贝尔状态」):

复制代码
bell = Circuit().h(0).cnot(0, 1)

实际运行:

复制代码
print(device.run(bell, s3_folder).result().measurement_counts())

除了由经典计算机支持的模拟环境之外,Amazon Braket 还允许用户访问 D-Wave、IonQ 以及 Rigetti 等打造的量子计算机。这些设备的共同特点包括:都是优秀技术的实际体现、都拥有极高的制造与运行成本、都需要在相当极端的专用环境下(极低温或者近真空)运行,而且必须保证隔离电气、热源以及磁场等干扰因素。综上所述,几乎可以肯定地说,大多数组织永远无法拥有自己的量子计算机,使用云端按需量子计算服务才是最合理的实现方案。事实上,生产级别的量子计算机很可能会以纯云形式率先出现。

真正的量子计算机既是科学成就,又像是一种艺术品,就像这一组超酷的图片:

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D-Wave 打造的 2000Q 量子计算机

AWS 首席布道师 Jeff Barr:量子计算机无法被拥有,云端量子计算服务最合理

Rigetti 的 16Q Aspen-4

AWS 首席布道师 Jeff Barr:量子计算机无法被拥有,云端量子计算服务最合理

IonQ 的线性离子阱

二、AWS 量子计算中心

如前所述,量子计算仍是个新兴领域,其中还蕴藏着很多人们不了解的秘密以及人们未能突破的潜在空间。在宣布 Amazon Braket 的同时,Jeff Barr 还正式宣布了 AWS 正在组建的量子计算中心。

AWS 量子计算中心毗邻加州理工学院校区,汇聚世界顶尖人才以加快技术发展。Jeff Barr 表示,AWS 将致力于探索能够实现量子计算机大规模生产应用的技术,同时亦在努力确定最合适在量子计算机上解决的实际应用。虽然这两项挑战周期漫长、前路艰辛,但 Jeff Barr 声称自己期待着未来一、两年能够看到初步进展。

三、Amazon 量子解决方案实验室

面对像量子计算这样的一种新颖而有趣的技术,人们当然希望能够尽早学习、培养自己的技能并制定关于量子计算应用的早期计划,而 Amazon 量子解决方案实验室的目的就是这样,它计划帮助大家利用亚马逊以及咨询合作伙伴掌握的知识达成学习的目标。

Jeff Barr 还表示,AWS 的目标,是与大家一道探索量子计算的实际用途,并帮助人们建立起属于自己的合格量子开发人才培训储备。并且,AWS 的量子解决方案实验室还将提供更多研究及合作机会。

量子计算综述

常规(经典)计算机利用比特的集合表示当前状态。每一比特代表着 0 或者 1,如果具有 n 个比特,则代表可以表达的状态数为 2n。一个比特只能处于这两种状态中的一种,两个比特则处于四种状态中的一种,依此类推。具有 1 MiB 内存的计算机具有“2 的 8 x 1048576 次方”种状态,还不包括 CPU 寄存器与外部存储容量。这虽然是个很大的数字,但仍然属于可以计算的有限值。

量子计算机采用更为复杂的数据表示形式,被称为量子位或者量子比特。每个量子比特既可处于 1 或者 0 状态,同时亦可处于 1 和 0 的叠加态——意味着一个量子位同时表现出这两种状态。我们可以使用包含一对复数的二维向量来表示这样的状态,因此能够形成实际上无穷多的状态。其中每个得数都代表一项概率,即该量子比特为 0 或者为 1 的机率。

在特定时间点内,经典计算机只可能处于 2n 种状态中的一种,但量子计算机则可同时处于全部可能的状态。

如果大家拥有一定的 IT 从业经验,就会意识到摩尔定律已经推动我们一路发展,最终打造出具备 2 TB 存储容量的超高密度 U 盘。这一路走来,所涉及的物理与化学制程相当惊人,而且值得研究与赞叹。但遗憾的是,这些制程工艺并不能直接应用于量子比特设备的制造。截至本文撰稿之时,最先进的量子计算机只包含约 50 个量子比特。目前,这类计算机主要采用数种不同的技术,但各类技术之间一般具有两大共同点:量子比特数量有限,而且只能在受到严格控制的物理环境当中运行。

工作原理

量子计算机通过操纵状态向量的幅度来工作。要对量子计算机进行编程,人们首先需要确定自己要使用多少个量子比特,而后将其接入一套量子电路,最终运行这套电路。在构建电路时,人们则需要通过设置以确保得出的答案尽可能正确,进而使其他非正确答案的出现机率尽可能低。传统计算机在这方面采用布尔逻辑并配合非、或以及与门构建;相比之下,量子计算机则采用叠加与干涉,同时配合 X、Y、Z、CNOT、Hadamard、Toffoli 等奇怪的逻辑名称。

量子计算仍是个相当年轻的领域:量子计算模型在上世纪八十年代才刚刚被提出,不久之后人们意识到,量子计算机能够执行经典计算机所无法实现的量子力学系统仿真。量子计算机在机器学习、线性代数、化学、密码学、物理模拟、搜索以及优化等方面拥有经典计算机无法比拟的先天优势。例如,Shor 算法就演示了量子计算机如何高效实现任意大小整数的质因数分解。

量子计算资源

以下是与量子计算相关的参考资料。其中有些可能乍看之下令人头晕目眩,但考虑到连我最终都能学会,相信各位也不会有问题:

展望未来

目前的公钥加密实现还相当安全,因为对大数进行质因数分解需要耗费相当夸张的计算资源。根据密钥的具体长度,质因数分解(也就是密钥破解)所需要的时间从数月到永恒不等(可能超过整个宇宙的预期存在时间)。但是,当具有足够量子比特的量子计算机面世之后,大数质因数分解将变得非常轻松。由于涉及逻辑、物理量子比特、噪声率以及纠错等众多具体因素,本文就不对“足够”量子比特的具体范围进行探讨了。

总而言之,在考量中长期加密与数据保护方法时,我们需要牢记量子计算可能带来的颠覆与威胁,同时着眼于后量子时代下的新型加密技术。如今,s2n(TLS/SSL 协议的实现方法)当中已经包含两种不同的抗量子密钥交换机制。但考虑到任何一种新型加密协议往往需要十年左右才能真正得到广泛应用与部署,因此早点为大型量子计算机出现后的安全场景做做打算无疑是很有必要的。

目前,量子计算还没有成为主流,但胜利似乎就在前方。这是一类非常强大的工具,足以解决传统上难以解决甚至无法解决的多种特定问题。另外,Jeff Barr 还表示:在未来 40 到 50 年之内,将有大量应用程序把自己的某些特定部分运行在量子计算机上,从而为应用提供更强大的整体表现。因此,我们不妨将量子计算机视为如今的 GPU 或者数学计算协处理器。它们也许不会以孤立方式使用,但却必然成为经典量子混合解决方案中的重要组成部分。

原文链接
https://amazonaws-china.com/cn/blogs/aws/amazon-braket-get-started-with-quantum-computing/

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