微软成立量子计算联盟,扩展量子开发工具包

2019-03-20 | 作者:微软亚洲研究院

编者按:随着量子计算的发展,越来越多的研究人员开始着手构建量子解决方案。为了解决现有小型量子计算机缺乏可靠性等问题,微软推出两款量子开发新工具:Toffoli模拟器和资源估算器。这两个新工具能够执行特定的量子算法,并帮助研究人员更好地认识大规模量子算法所需的计算成本。同时,微软还宣布成立了“微软量子网络”和“西北量子联盟”,与全球高校、研究机构、产业界一道共同推动量子计算的发展。


开发者、企业和学生们都迫切希望了解量子计算的潜力,并开始着手构建量子解决方案。为此,微软设计开发了一种名为“Q#”的编程语言,用于开发解决实际问题的量子程序。

现有小型量子计算机虽然能够执行最简单的程序,但仍然缺乏一定的规模和可靠性。在开发、检测、调试和优化量子程序的过程中,可以借助“量子模拟器”来绕过这些障碍,在经典计算机或其它工具上测试量子程序的执行情况,并让开发人员更加深入地了解自己的程序。

近期,微软发布了新版的微软量子开发工具包,包括两款新工具——Toffoli模拟器和资源估算器。Toffoli模拟器能够执行以“相干叠加”方式实施经典运算的特定量子算法,资源估算器能够帮助人们更好地评估实现大规模量子算法所需的内存占用及总体计算成本。这两款新工具是之前已经发布的“全态模拟器”和“跟踪模拟器”组合的补充。

Toffoli模拟器和资源估算器

Toffoli模拟器作为一种专用模拟器,对于通过量子相干模拟经典算法很有价值,这些经典算术运算是许多量子算法常用的子程序。模拟器可以模拟的量子算法仅限于X门、CNOT门和多点控制X门这几种量子操作。

虽然Toffoli模拟器的能力仅限于这些具体操作,但它可以模拟百万级的量子比特,相比之下,全态模拟器仅能模拟中等数量的量子比特。Toffoli模拟器不仅在调试复杂经典算法的量子实现时表现出色,而且对于实际应用中出现的经典算术运算模拟也十分有效。

量子开发套件的另一款新工具是资源估算器,它帮助量子应用程序的开发人员估算程序在量子计算机上运行时所需的资源。即使无法在经典计算机上模拟这些程序,它仍然可以进行估算。在不改变Q#语言操作的情况下,资源估算器能够计算在量子计算机上执行特定Q#语言操作所需的基本操作及量子比特数量,然后,根据对基本操作的成本估算,对操作加以分析,为总成本提供量化参考。

资源估算器建立在量子计算机跟踪模拟器的基础之上,不仅能够提供更丰富的量化参考值,还具备下文所述的其它功能。用户经常借助跟踪模拟器对整个程序所需资源进行估算,因此微软提供了这个新工具,让用户能够快速获取参考值。量子资源估算是量子软件开发者的得力助手,它能让量子程序开发者在量子计算机面市之前了解算法所消耗的资源,并设法提高其运行效率。

量子开发工具包:提供定制化的资源估算

微软量子开发工具包中的新增工具是对现有的模拟器组合(全态模拟器和跟踪模拟器)的重要补充,这两个模拟器都可以在经典计算机而非量子计算机上执行量子算法。

对于量子程序的开发、测试和调试,最理想的方法是对算法进行完全模拟。在开发Q#程序时,全态模拟器通过跟踪量子比特状态执行量子算法,并对量子比特上的操作进行建模。全态模拟器可以在笔记本电脑上运行操作30个量子比特的量子程序,在Azure中的计算机群上运行操作超过40个量子比特的量子程序。

多方面来看,在经典计算机上运行的全态量子模拟器比在NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum,含噪声的中型量子)设备上运行的尚在开发中的算法更有效。其原因在于开发人员不必去管理脆弱的量子比特状态,模拟器也可以运行更长、更复杂的算法,最重要的是,经典模拟器可以全面检查波函数,这对调试很有帮助。鉴于上述原因,即使开发人员已经能够在真正的量子硬件上运行这些程序,他们仍然会继续使用模拟器进行开发和调试。

虽然全态模拟器是量子程序开发的得力助手,但要想让量子算法计算取得实质性进步,需要达到比使用传统硬件或NISQ设备模拟更大的规模。“量子开发工具包”的跟踪模拟器在执行量子程序时无须实际模拟量子计算机的状态,因此,跟踪模拟器可以执行需要操作上万个量子比特的量子程序。它能够提供丰富的参数,给出更为详细和定制化的资源估算,从而帮助开发人员了解量子程序的性能,并有助于识别Q#程序中的错误。

如果开发者希望开发用于未来量子硬件设备的更多应用,量子模拟器和资源估算器不失为明智之选。以下资源可供开发者进一步学习:

• 全态模拟器

https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/machines/full-state-simulator

• 跟踪模拟器

https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/machines/qc-trace-simulator

• Toffoli模拟器

https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/machines/toffoli-simulator

• 资源估算器

https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/machines/resources-estimator

无论是材料创新、药物开发还是改进人工智能,量子计算机都有着重塑世界的强大潜力。微软推出的量子开发工具包旨在帮助人们更好地研究量子解决方案,并为在不远的将来即将实现的量子计算机做好准备。工具包所包含的量子模拟器能够帮助开发人员更深入地了解量子计算机的程序搭建,推动量子计算的发展更进一步。

微软量子开发工具包:https://www.microsoft.com/en-us/quantum/development-kit

 

多方合作,创新量子计算

搭建量子计算机需要背景各异的多方团队的通力合作。在过去的几年间,微软联合合作伙伴、高校、用户和开发者,共享量子计算相关知识,共同致力于量子计算的创新。近期,微软宣布成立“微软量子网络”(Microsoft Quantum Network)和“西北量子联盟”(Northwest Quantum Nexus),与全球高校、研究机构、产业界一道共同推动量子计算的发展,为量子计算的发展储备人才。

微软量子网络:https://www.microsoft.com/en-us/quantum/quantum-network

量子机器学习公司Rahko和HQS Quantum Simulations是最近宣布加入“微软量子网络”的两家公司,它们将与微软密切合作,开发实用量子计算应用。微软量子网络也将使许多初创公司从中受益,助力其发展业务,建立创新解决方案,获取更多有价值的资源。在此之前,美国凯斯西储大学(CWRU)、迪拜水电管理局(DEWA)和太平洋西北国家实验室(PNNL)等机构已经与微软直接合作,微软还在普渡大学、加州大学圣巴巴拉分校、哥本哈根大学、荷兰代尔夫特大学和悉尼大学建立了微软量子实验室,共同推进量子研究。

在西北量子联盟峰会上,微软联合美国太平洋西北国家实验室和华盛顿大学宣布成立“西北量子联盟”。该联盟旨在提高量子信息科学的知名度,进一步加强合作并吸引更多人投身量子计算的研究。西北量子联盟是实现可扩展量子计算的关键,它推动了机构间的协同研究和开发,为量子算法编程和设计开发提供了关键技术。

西北量子联盟:http://nwquantum.com/

搭建世界上第一台量子计算机并不容易,需要来自学术界和产业界拥有不同背景的人共同合作。微软期待将最聪明的头脑汇聚在一起,共同描绘未来量子计算的图景。