Classiq首席技術(shù)官Yehuda Naveh：量子軟件開(kāi)發(fā)仍處于起步階段

北京時(shí)間6月29日消息（余予）Classiq 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Yehuda Naveh 博士日前在Forbes發(fā)表觀點(diǎn)。他認(rèn)為，量子革命過(guò)程中，軟件和硬件同等重要，然而現(xiàn)在，量子軟件開(kāi)發(fā)仍處于起步階段。

隨著量子技術(shù)在全球范圍的趨勢(shì)變化，IBM、英特爾、谷歌、霍尼韋爾、Xanadu、IonQ、Rigetti 和阿里巴巴等公司產(chǎn)開(kāi)一場(chǎng)比拼，競(jìng)相打造更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。他們這樣做似乎是有充分理由的。量子計(jì)算對(duì)眾多領(lǐng)域有著巨大影響，從網(wǎng)絡(luò)安全到金融、從供應(yīng)鏈到制藥、從國(guó)防到天氣預(yù)報(bào)。

量子計(jì)算機(jī)包括量子比特和量子門(mén)。公司從多個(gè)方面展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，量子位的數(shù)量及連接、可用門(mén)的類(lèi)型、容錯(cuò)率、工作溫度等等，其進(jìn)展速度令人眼花繚亂。例如，IBM于2020年提供了65 個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并預(yù)計(jì)2021年將推出433 個(gè)量子比特量子計(jì)算機(jī)，2023 年超1000 個(gè)量子比特量子計(jì)算機(jī)。

硬件只是圖片的一部分

軟件同硬件一樣，在推動(dòng)量子革命方面至關(guān)重要。

在經(jīng)典計(jì)算中，如果沒(méi)有操作系統(tǒng)和用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的軟件工具，現(xiàn)代CPU幾乎毫無(wú)用處，我們可以假設(shè)量子計(jì)算機(jī)也是如此。如果沒(méi)有強(qiáng)大的軟件，量子計(jì)算將無(wú)法兌現(xiàn)其承諾。

然而，今天，量子軟件開(kāi)發(fā)還處于起步階段。微軟的Q#、IBM的Qiskit或谷歌的Cirq等量子編程語(yǔ)言主要在量子門(mén)或構(gòu)建塊級(jí)別上運(yùn)行。若所需的構(gòu)建塊尚未實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)則需要指定量子比特和量子門(mén)之間互連的確切順序。

這一過(guò)程類(lèi)似于通過(guò)費(fèi)力地放置"and"、"or" 和"not"邏輯門(mén)來(lái)創(chuàng)建數(shù)字電路。當(dāng)有幾十個(gè)邏輯門(mén)時(shí)，它工作得相當(dāng)好，但如果有數(shù)千或者數(shù)萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

量子團(tuán)隊(duì)組建

編寫(xiě)量子軟件之所以復(fù)雜還有另一個(gè)原因：很難找到量子軟件工程師。量子編程不同于經(jīng)典編程，量子軟件工程師屬于稀有人才。編寫(xiě)量子軟件需要量子信息理論方面的專(zhuān)家，需要對(duì)量子物理學(xué)有深入的理解并且精通線性代數(shù)。

現(xiàn)今，這類(lèi)工程師大多數(shù)是頂尖大學(xué)的博士生。公司發(fā)現(xiàn)他們很難為其新創(chuàng)建的量子團(tuán)隊(duì)配備人員。

除此之外，量子軟件工程師缺乏期權(quán)定價(jià)、分子生物學(xué)、供應(yīng)鏈優(yōu)化等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而將特定領(lǐng)域的專(zhuān)家整合到團(tuán)隊(duì)中也存在難度。

大局觀

如果您拍了一張漂亮的度假照片，但又想讓日落的顏色看起來(lái)更加生動(dòng)，那么您可能不想逐個(gè)像素地這樣做，尤其是當(dāng)您的照片具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素時(shí)。您更喜歡使用 Photoshop 或其他圖片編輯軟件，它們?cè)试S您指定要完成的工作，然后弄清楚如何逐個(gè)像素地實(shí)現(xiàn)它。

同樣，如果您的團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)發(fā)了一種新的量子算法，他們不想逐門(mén)編碼、調(diào)試和維護(hù)它。他們需要一種高級(jí)語(yǔ)言來(lái)將新概念轉(zhuǎn)化為門(mén)級(jí)實(shí)現(xiàn)。

我們以前在哪里見(jiàn)過(guò)？

早些時(shí)候，我們將量子編程與數(shù)字電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了類(lèi)比。數(shù)字電路設(shè)計(jì)的演變可以作為解決量子軟件問(wèn)題的靈感。

隨著數(shù)字電路變得越來(lái)越復(fù)雜，像VHDL（通用硬件描述語(yǔ)言）之類(lèi)的設(shè)計(jì)語(yǔ)言就派上了場(chǎng)。使用VHDL、Verilog和類(lèi)似的硬件描述語(yǔ)言，設(shè)計(jì)人員編寫(xiě)人類(lèi)可讀的代碼來(lái)描述他們想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，然后讓計(jì)算機(jī)程序?qū)⑦@種高級(jí)描述轉(zhuǎn)換為詳細(xì)的門(mén)互連。

這些語(yǔ)言使設(shè)計(jì)真正復(fù)雜的電路并有效地調(diào)試和維護(hù)它們成為可能。

除此之外，高級(jí)語(yǔ)言還促進(jìn)代碼重用，因此不需要每次都重新編寫(xiě)新代碼。

期待與建議

我相信我們將開(kāi)始看到類(lèi)似 VHDL 的方法應(yīng)用于量子計(jì)算。雖然量子的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)可能與電子設(shè)計(jì)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)有很大不同，但這種“量子算法設(shè)計(jì)”的概念是相同的，即專(zhuān)注于意圖，讓復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序?qū)⑵浞g成量子比特和門(mén)。

從優(yōu)秀的VHDL歷史中，我們能夠有所收獲和見(jiàn)解。我預(yù)計(jì)量子比特會(huì)發(fā)展得更快，其不確定性也將減少。

為了能為量子革命和這些新的軟件平臺(tái)做好準(zhǔn)備，我建議公司：

• 向特定領(lǐng)域的專(zhuān)家介紹量子計(jì)算的概念，但不一定要求他們學(xué)習(xí)這方面編程。

• 避免一頭扎進(jìn)量子比特、量子門(mén)。首先，創(chuàng)建一個(gè)可讀的高級(jí)描述，并說(shuō)明您的量子算法需要做什么。

• 繼續(xù)尋找能夠?qū)⒏呒?jí)建模語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的低級(jí)量子代碼的平臺(tái)的市場(chǎng)。

助力不斷

如果軟件沒(méi)有重大進(jìn)展，量子計(jì)算將停滯不前。量子算法設(shè)計(jì)軟件不僅可以在更先進(jìn)的機(jī)器上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的算法，而且還可以擴(kuò)大可用的勞動(dòng)力庫(kù)，使特定領(lǐng)域的專(zhuān)家可以和博士級(jí)量子工程師一起工作。

通過(guò)集成硬件、軟件和研究人員，我們可以?xún)冬F(xiàn)量子計(jì)算的巨大承諾。

附：Yehuda Naveh 博士，Classiq 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官。在加入Classiq之前，他在IBM Research致力于CAD技術(shù)和量子計(jì)算。

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