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

北京時間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，量子革命過程中，軟件和硬件同等重要，然而現(xiàn)在，量子軟件開發(fā)仍處于起步階段。

隨著量子技術(shù)在全球范圍的趨勢變化，IBM、英特爾、谷歌、霍尼韋爾、Xanadu、IonQ、Rigetti 和阿里巴巴等公司產(chǎn)開一場比拼，競相打造更強(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。公司從多個方面展開競爭，量子位的數(shù)量及連接、可用門的類型、容錯率、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 個量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并預(yù)計(jì)2021年將推出433 個量子比特量子計(jì)算機(jī)，2023 年超1000 個量子比特量子計(jì)算機(jī)。

硬件只是圖片的一部分

軟件同硬件一樣，在推動量子革命方面至關(guān)重要。

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

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

這一過程類似于通過費(fèi)力地放置"and"、"or" 和"not"邏輯門來創(chuàng)建數(shù)字電路。當(dāng)有幾十個邏輯門時，它工作得相當(dāng)好，但如果有數(shù)千或者數(shù)萬個邏輯門，則無法實(shí)現(xiàn)。

量子團(tuán)隊(duì)組建

編寫量子軟件之所以復(fù)雜還有另一個原因：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。編寫量子軟件需要量子信息理論方面的專家，需要對量子物理學(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、分子生物學(xué)、供應(yīng)鏈優(yōu)化等專業(yè)知識，而將特定領(lǐng)域的專家整合到團(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更加生動，那么您可能不想逐個像素地這樣做，尤其是當(dāng)您的照片具有數(shù)百萬個像素時。您更喜歡使用 Photoshop 或其他圖片編輯軟件，它們允許您指定要完成的工作，然后弄清楚如何逐個像素地實(shí)現(xiàn)它。

同樣，如果您的團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)了一種新的量子算法，他們不想逐門編碼、調(diào)試和維護(hù)它。他們需要一種高級語言來將新概念轉(zhuǎn)化為門級實(shí)現(xiàn)。

我們以前在哪里見過？

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

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

這些語言使設(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，高級語言還促進(jìn)代碼重用，因此不需要每次都重新編寫新代碼。

期待與建議

我相信我們將開始看到類似 VHDL 的方法應(yīng)用于量子計(jì)算。雖然量子的語言結(jié)構(gòu)可能與電子設(shè)計(jì)的語言結(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。

從優(yōu)秀的VHDL歷史中，我們能夠有所收獲和見解。我預(yù)計(jì)量子比特會發(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做好準(zhǔn)備，我建議公司：

• 向特定領(lǐng)域的專家介紹量子計(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。首先，創(chuàng)建一個可讀的高級描述，并說明您的量子算法需要做什么。

• 繼續(xù)尋找能夠?qū)⒏呒壗ＵZ言轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的低級量子代碼的平臺的市場。

助力不斷

如果軟件沒有重大進(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)大可用的勞動力庫，使特定領(lǐng)域的專家可以和博士級量子工程師一起工作。

通過集成硬件、軟件和研究人員，我們可以兌現(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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