什么是混合量子计算？

北京时间1月19日消息（余予）“混合量子计算”是一个简单想法的首选行业术语：量子计算机和经典计算机协同工作以解决问题。

从某种意义上说，这描述了所有的量子计算：我们依靠经典计算机来运行量子计算机的几乎每个方面。从协调计算机的许多子组件并执行量子门的系统，到测量和解释计算结果的软件和硬件，一直到编译、优化和将用户提交的程序转换为可以在我们的硬件上运行的东西。

但实际上，当我们谈论“混合”计算时，我们指的是一种采用来回协作形式的方法，其中问题的不同方面在最适合每个阶段的量子工具和经典工具之间传递。

在IonQ产品开发副总裁Matthew Keesan看来，这些混合量子经典算法可能是用户充分利用当前或近期量子计算机的最佳方式之一。

“经典计算机在很多方面做得更好或更快，尤其是在我们今天的硬件上。通过让量子计算机和经典计算机做各自擅长的事情，你可以从中获得更多收益。”Keesan表示。

以变分量子特征求解器 (VQE) 算法为例，该算法是一种可用于各种化学应用的混合算法。VQE可用于计算分子的“基态”——化学上最稳定的构型——通过迭代计算给定构型的能量，并将其与之前经典计算的能量进行比较，改变输入直到获得最佳答案。

“如果我试图根据某个函数优化某个参数，找到一些最大值或最小值，我可以通过比较该状态下函数的值来做到这一点。这部分不需要量子计算机，”Keesan 解释称，“我在量子计算机上准备状态，将结果带回经典计算机，然后生成一个稍微新的状态，在经典计算机和量子计算机之间的相互作用中行走状态空间。”

关键在于找到正确的控制点——“旋钮”——使算法的量子部分和经典部分能够有效地相互作用。有多种有效的方法，具体取决于算法，但VQE通过创建具有某些参数化组件（例如电路中某些门的角度）的单个量子电路来做到这一点，然后使用经典优化算法来改变这些参数直到达到预期的结果。

图源：IonQ

虽然水分子是一种相对简单且易于理解的物质形式，其基态可以使用经典量子模拟器计算，IonQ 2018年的同行评议论文使用我们的第一代量子计算机估算了一个水分子的基态能量。这是目前如何使用这些算法的一个很好的例子，同时也展示了混合量子计算很快就会变得更加有用。

随着IonQ连续地推出量子硬件，我们可能会发现自己能够探索新的、更复杂的分子——那些无法通过经典方式模拟的分子——以加速化学研究。我们预计，随着新一代量子计算机的到来，我们与合作伙伴正在使用当前硬件掌握的技术，这可以让我们所有人完成具有根本影响力的工作。

“今天，我们正在优化技术来模拟我们已经了解的分子，所以我们在规模扩展上做好了准备，”Matthew Keesan表示， “随着分子变得越来越复杂，我们将需要更大的量子计算机——显然也需要更经典的计算。”

这就是为什么许多经典高性能计算玩家对这个领域非常感兴趣的原因：量子计算机永远不会完全取代经典计算机，而是将成为更大的HPC战略的重要方面，在这一战略中，量子和经典系统将协同工作，以解决当前在化学、材料、宇宙学、金融等领域难以解决的问题。

如今，混合量子计算通过云访问IonQ的量子系统并将它们的能力与经典云计算相结合来工作，但我们预计不久的将来，我们会看到一个组合的、本地混合平台提高这些技术的效率、实用性和普遍性.有一天，它可能会变得如此集成，以至于所有云计算本质上都是“混合的”，而最终用户也将不需要知道或关心是哪种类型的计算机在做什么——他们所体验的只是更好的结果。

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