量子處理單元(QPU)的定義及工作原理

量子處理單元（QPU）是量子計(jì)算機(jī)的“大腦”。它利用電子或光子等粒子的行為來(lái)進(jìn)行特定類(lèi)型的計(jì)算，其速度遠(yuǎn)快于當(dāng)今計(jì)算機(jī)的處理器。

如今，GPU 和 DPU 不但實(shí)現(xiàn)了加速計(jì)算，還在幫助新型芯片 QPU 實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。

如果拿在手上，量子處理單元（QPU）可能看起來(lái)和感覺(jué)上與圖形或數(shù)據(jù)處理單元（DPU）非常相似。它們都是十分典型的芯片或具有多個(gè)芯片的模塊?？梢坏┻\(yùn)行起來(lái)，QPU 就會(huì)爆發(fā)出截然不同的力量。

什么是 QPU？

量子處理單元（QPU）是量子計(jì)算機(jī)的“大腦”。它利用電子或光子等粒子的行為來(lái)進(jìn)行特定類(lèi)型的計(jì)算，其速度遠(yuǎn)快于當(dāng)今計(jì)算機(jī)的處理器。

QPU 依靠疊加（superposition）等行為。量子力學(xué)這門(mén)相對(duì)較新的物理學(xué)分支將疊加描述為單個(gè)粒子同時(shí)處于多種狀態(tài)的能力。

而 CPU、GPU 和 DPU 都是將經(jīng)典物理學(xué)原理應(yīng)用于電流，這也是為什么當(dāng)今的系統(tǒng)被稱(chēng)為經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

QPU 可以推動(dòng)密碼學(xué)、量子模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展并解決棘手的優(yōu)化問(wèn)題。

量子處理器如何工作？

CPU 和 GPU 以位進(jìn)行計(jì)算，用電流的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)代表 0 或 1。而 QPU 以表示多種不同量子態(tài)的量子位進(jìn)行計(jì)算，從中獲得獨(dú)一無(wú)二的力量。

量子位是一個(gè)抽象概念。計(jì)算機(jī)科學(xué)家用它來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)基于 QPU 中粒子的量子態(tài)。如同時(shí)鐘上的指針一樣，量子位指向的量子態(tài)就像是可能性空間中的點(diǎn)。

QPU 的性能通常用它所包含的量子位數(shù)量來(lái)表示。研究者正在開(kāi)發(fā)更多的方法來(lái)測(cè)試和測(cè)量 QPU 的整體性能。

制造量子位的眾多方法

企業(yè)和學(xué)術(shù)研究者正在使用各種各樣的技術(shù)來(lái)制造 QPU 內(nèi)的量子位。

目前最流行的方法被稱(chēng)為超導(dǎo)量子位。它基本上是由一個(gè)或多個(gè)被稱(chēng)為“約瑟夫森結(jié)”的微小金屬夾層制成，電子會(huì)從兩種超導(dǎo)材料之間的絕緣層穿過(guò)。

目前的技術(shù)水平能夠在單個(gè) QPU 中創(chuàng)造 100 多個(gè)這樣的結(jié)點(diǎn)。使用這種方法的量子計(jì)算機(jī)通過(guò)使用看起來(lái)像高科技吊燈的強(qiáng)大“冰箱”將電子冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度來(lái)隔離電子（見(jiàn)下圖）。

光的量子位

一些公司在其量子處理器中使用光子取代電子來(lái)組成量子位。這些 QPU 不需要昂貴、耗電的冰箱，但它們需要復(fù)雜的激光器和分束器來(lái)管理光子。

研究者正在使用和發(fā)明其他方法來(lái)創(chuàng)建和連接 QPU 內(nèi)的量子位。例如，有些人使用名為“量子退火”的模擬流程，但使用這些 QPU 的系統(tǒng)用途有限。

量子計(jì)算機(jī)目前還處于早期階段，所以還不清楚什么樣的量子位在什么樣的 QPU 中會(huì)被廣泛使用。

簡(jiǎn)單的芯片，奇特的系統(tǒng)

理論上，QPU 所需的功率和所產(chǎn)生的熱量可能均少于經(jīng)典處理器，但它們所插入的量子計(jì)算機(jī)可能略微耗電和昂貴。

這是因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)一般需要專(zhuān)門(mén)的電子或光學(xué)控制子系統(tǒng)來(lái)精確操縱粒子，而且大多數(shù)量子系統(tǒng)需要真空外殼、電磁屏蔽或復(fù)雜的冰箱來(lái)為粒子創(chuàng)造合適的環(huán)境。

這就是為什么量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為將主要位于超級(jí)計(jì)算中心和大型數(shù)據(jù)中心的原因。

QPU 的超酷用途

這項(xiàng)復(fù)雜的科學(xué)和技術(shù)讓研究者對(duì)量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的 QPU 將會(huì)帶來(lái)的驚人結(jié)果充滿期待，尤其是四種前景廣闊的潛在用途。

首先，它們可以將計(jì)算機(jī)安全提升到全新的水平。

量子處理器可以快速分解巨大的數(shù)字，而這是密碼學(xué)中的核心功能。這意味著它們既可以打破現(xiàn)今的安全協(xié)議，也可以創(chuàng)造新的、更強(qiáng)大的安全協(xié)議。

此外，量子處理器非常適合模擬量子力學(xué)，反映物質(zhì)在原子層面上如何運(yùn)作。從設(shè)計(jì)更輕的飛機(jī)到研發(fā)更有效的藥物，這可以推動(dòng)化學(xué)和材料科學(xué)的巨大進(jìn)步，引發(fā)所有領(lǐng)域的多米諾效應(yīng)。

研究人員還希望量子處理器能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)在金融和物流等領(lǐng)域所無(wú)法處理的優(yōu)化問(wèn)題。最后，它們甚至可能會(huì)推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展。

QPU 何時(shí)上市？

量子研究者希望 QPU 來(lái)得越快越好，但目前這門(mén)技術(shù)仍面臨著多方面的挑戰(zhàn)。

在硬件層面，QPU 還沒(méi)有強(qiáng)大或可靠到足以解決大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的工作。然而早期的 QPU 以及使用 NVIDIA cuQuantum 等軟件模擬 QPU 的 GPU 已經(jīng)開(kāi)始展現(xiàn)出有助于研究者的成果，尤其是在探索如何建造更好的 QPU 和開(kāi)發(fā)量子算法的項(xiàng)目中。

研究者正在使用通過(guò)亞馬遜、IBM、IonQ、Rigetti、Xanadu 等公司提供的原型系統(tǒng)。世界各地的政府開(kāi)始看到這項(xiàng)技術(shù)的前景，因此進(jìn)行了大量投資，希望建造出規(guī)模更大、更加雄心勃勃的系統(tǒng)。

如何為量子處理器編程？

量子計(jì)算的軟件仍處于起步階段。

大部分量子計(jì)算軟件看起來(lái)就像是早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)中讓程序員苦不堪言的那種匯編語(yǔ)言代碼。所以開(kāi)發(fā)者必須了解底層量子硬件的細(xì)節(jié)，以使程序正常運(yùn)行。

但確實(shí)有跡象表明在這一點(diǎn)上正在朝著好的方向發(fā)展。未來(lái)將出現(xiàn)能在任何超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的單一軟件環(huán)境——量子操作系統(tǒng)。

目前有幾個(gè)早期項(xiàng)目正在進(jìn)行中。所有項(xiàng)目都在努力突破當(dāng)前硬件的局限性；有些項(xiàng)目因受到開(kāi)發(fā)代碼的公司的限制而受阻。

例如一些公司在企業(yè)計(jì)算方面擁有深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，但缺乏高性能環(huán)境方面的經(jīng)驗(yàn)，而量子計(jì)算的許多科學(xué)和技術(shù)工作都要在這種環(huán)境中完成。還有一些公司缺乏 AI 方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而 AI 與量子計(jì)算能夠產(chǎn)生協(xié)同作用。

引入混合量子系統(tǒng)

研究界普遍認(rèn)為在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，經(jīng)典和量子計(jì)算機(jī)將協(xié)同工作，因此軟件也需要能夠在 QPU、CPU 和 GPU 上良好運(yùn)行。

研究人員在 2017 年的一篇論文中描述了混合經(jīng)典-量子計(jì)算機(jī)。

為了推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展，NVIDIA 最近發(fā)布了用于混合量子系統(tǒng)編程的開(kāi)放平臺(tái)——NVIDIA 量子優(yōu)化設(shè)備架構(gòu)（QODA）。

QODA 內(nèi)置簡(jiǎn)潔、富有表現(xiàn)力的高級(jí)語(yǔ)言，因而功能強(qiáng)大，易于使用。開(kāi)發(fā)者可以使用 QODA 編寫(xiě)程序，此程序在量子計(jì)算機(jī)中的 QPU 和經(jīng)典系統(tǒng)中模擬 QPU的 GPU 上運(yùn)行。

NVIDIA QODA 為開(kāi)發(fā)者提供了用于編程任何混合量子-經(jīng)典計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一平臺(tái)

QODA 將支持每一種量子計(jì)算機(jī)和 QPU。

在發(fā)布會(huì)上，包括 Pasqal、Xanadu、QC Ware 和 Zapata 在內(nèi)的量子系統(tǒng)和軟件供應(yīng)商都表達(dá)了對(duì) QODA 的支持。QODA 的用戶(hù)包括美國(guó)和歐洲的主要超級(jí)計(jì)算中心。

NVIDIA 的 CUDA 軟件為科學(xué)、技術(shù)和企業(yè)用戶(hù)加速 HPC 和 AI 工作負(fù)載，而 QODA 就是建立在 NVIDIA CUDA 軟件廣泛的專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)之上。

QODA 公測(cè)版有望在年底前發(fā)布，這將使 2023 年及以后的 QPU 前景一片光明。

審核編輯：湯梓紅