用于学习量子计算机编程的新开发软件允许学生看到“黑匣子”的内部并开始使用“怪异”物理学来解决问题
QC观察丨揭开量子计算的面纱-量子客

图为与量子算法中的数据相关联的概率峰以复杂的方式随时间演变。图中的示例是量子计算机模拟的一部分,该计算机使用Shor算法找到数字的素因子

对于我们中的许多人来说,快速发展的技术步伐意味着我们越来越多地被一个接一个的“黑匣子”包围着。我们可能对事物的运作方式有一个初步的想法,但除了理解说明之外,还不足以做任何其他事情。要真正理解,你必须能够打开“黑匣子”,实际看到它是如何工作的,然后把它重新组合在一起。
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查看量子计算机内部的能力对于帮助学生实际学习是至关重要的

但即使我精通计算机,我怎么能让我的头脑围绕量子计算机革命前进,而当它在运行时我无法看到其内部运作?量子计算的许多怪癖之一是它依赖于原子和亚原子粒子奇怪的相互作用,然后一旦你试着去看实际发生了什么的时候,就会发现整个脆弱的量子态崩塌了。

看到量子计算的实际应用

  • “量子计算机是最终的黑匣子。”量子物理学家Lloyd Hollenberg教授笑着说,他是墨尔本大学有史以来第一门量子计算机编程课程的负责人。
  • 他笑是因为即使在15分钟之后,对量子毫无所知的人开始对量子计算如何运作有一些初步的了解。这一切都归功于他和他的同事开发的量子计算机模拟器,它基本上可以让你操作量子计算机......“黑匣子”的盖子开了。
  • “要了解量子计算机是如何工作的,你想要打开它,但在这个过程中,你会破坏量子态,那么你可以做什么?我们的模拟器旨在解决这个问题,并且就其易用性和它告诉你的内容而言,它是独一无二的。“Hollenberg教授说。
  • 人们已经有机会在网上访问迄今为止已开发的一些小型量子计算机,但一般来说程序员只能从他们的编码中获得最终输出——但他们无法“看到”它是如何工作的。
  • Hollenberg教授认为这对于帮助学生实际学习以及专业人员调试量子代码至关重要。

量子比特

模拟器——量子用户界面或QUI——是一种软件,可让你单击并拖动对量子比特进行操作的逻辑指令以编写程序。大学的远程计算机集群在模拟量子计算机上运行程序并实时发回结果,因此用户可以在程序的每个阶段检查和可视化量子计算机状态的所有方面。
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Hollenberg教授(右)指导学生在量子计算课程中使用QUI

量子比特只是经典计算机“比特”的量子版本——计算机数据的基本单位,存在于两种状态之一,在编程中我们称为0或1。这是所有计算机编码的基础,并且在经典计算机中,0或1通常由穿过其晶体管的不同电压表示。但是在量子计算机中,比特或量子比特是量子对象,就像原子中的电子一样,它可以处于两种状态中的一种,为了方便起见我们也可以将其标记为0或1。这些量子对象实际上在不同的量子计算机系统中有所不同,但对于计算机程序员来说它不是那么重要。重要的是量子对象生成的0和1使我们能够使用对象进行编码。

越过奇怪的物理学

量子比特的不同之处在于,由于存在原子尺寸的奇怪物理学,每个量子比特可能处于未解析的“量子叠加”状态1 和 0。当观察到坍塌量子态时,每个都有一些概率为0或1,这取决于量子叠加是如何形成的。量子比特也可以通过称为纠缠的属性相互影响,这样一来,如果量子比特被解析为0,则另一个可能自动为1。量子物理学的这些特性使得量子计算机能够比传统计算机更强大,因此能够解决难题——例如优化复杂的路线或系统,从天气预报到融资、设计新材料或帮助机器学习。与在寻找正确答案之前费力地计算所有可能性的经典计算机不同,量子计算机使用数据结构和数字的类波特性来缩小对问题的正确答案的概率,理论上,我们当前的计算机没有希望匹配。
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量子用户界面将帮助学生和研究人员“看到”量子计算机

对于习惯于经典计算机编程的学生来说,就像从头学习一样。

新规则

“你必须以不同的方式来思考量子编程。”正在开设该课程的电气工程专业学生Fenella McAndrew说。“我们基本上会回到编程过程的开始阶段,比如在传统编程中的一个电路级别上工作。”在量子计算机中处理数字的规则对于没有经验的人来说是令人难以置信的。“对材料进行教学是一项挑战,尤其是在没有量子力学背景的情况下,” Hollenberg教授说,“但是对于学生和专业人士他们有明确要求需要更多地了解这项技术并让自己为量子最好准备。”正是这种需要使得量子计算更容易被没有物理背景的人所接受,这是开发QUI的起源。该系统允许程序员查看操作的每个阶段以及量子计算机正在做什么——特别是如何操纵量子数据以产生程序的输出。这是将要成为量子程序员需要理解的关键信息。对于那些正在努力解释量子理论的学生来说,开始使用QUI并实际看到量子计算在运作令他们放心。
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使用QUI作为Hollenberg教授量子计算课程一部分的学生可以获得丰富的经验

量子软件设计是一个如此新的概念,它比传统的计算机编码更抽象,因此当我们设计一个函数时能够看到正在发生的事情确实有帮助。”参加该课程的数学学生Daniel Johnston说。

立即解决问题

Hollenberg教授的联合教师,物理学家Charles Hill博士说,QUI意味着学生自己实际上是从课程开始就在进行量子计算。“学习量子计算的人们需要了解如何使用与经典计算不同的独特规则来操纵信息,然后以能够解决他们正关注问题的方式编写他们的程序。“我们发现QUI使用简单直观。新手开始使用系统和编写程序不会超过五分钟。“Hill博士说。根据Hollenberg教授的说法,QUI的更多版本现在正在开发中。“我们正致力于改进和开发附加功能,这不仅可以增强用户体验,还可以在教学和研究中更广泛地使用该系统。”他说。潜在的量子软件程序员,或者实际上对量子计算感兴趣的任何人都可以查看介绍性视频并在QUIspace.org上试用该系统。除了Hollenberg教授和Hill博士之外,QUI开发团队还包括Aidan Dang,Alex Zable和Matt Davis;IT专家Melissa Makin博士和Uli Felzmann博士;研究生Sam Tonetto,Gary Mooney和Greg White。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并完整授权量子客整理发布。

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