1980年代現(xiàn)場(chǎng)可程式化邏輯門陣列(FPGA)的出現(xiàn)徹底改變了電子設(shè)計(jì)。大約40年后，現(xiàn)場(chǎng)可程式化量子位元陣列(FPQA)可望在量子運(yùn)算電路設(shè)計(jì)中引發(fā)一場(chǎng)類似的革命。

1980年代現(xiàn)場(chǎng)可程式化邏輯閘陣列(FPGA)的出現(xiàn)徹底改變了電子設(shè)計(jì)。FPGA允許設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建適合特定應(yīng)用的定制邏輯電路，并在投入昂貴的ASIC開發(fā)之前，快速原型化和測(cè)試新設(shè)計(jì)。

大約40年后，現(xiàn)場(chǎng)可程式化量子位元陣列(field-programmable qubit array，F(xiàn)PQA)可望在量子運(yùn)算電路設(shè)計(jì)中引發(fā)一場(chǎng)類似的革命。

FPQA可以協(xié)助量子演算法設(shè)計(jì)師根據(jù)自己的需求調(diào)整量子處理器的布局，最佳化量子位元連接，以實(shí)現(xiàn)給定問題的最佳性能。為了匹配演算法，F(xiàn)PQA允許使用者動(dòng)態(tài)創(chuàng)建量子處理器。

為什么需要FPQA？

被稱為疊加(superposition)、糾纏(entanglement)和干涉(interference)的量子現(xiàn)象是量子電腦強(qiáng)大功能的關(guān)鍵。

為了利用這些現(xiàn)象，量子位元需要透過量子閘(如量子CNOT雙量子位元閘)或透過利用依賴于量子位元之間距離的其他類型交互(如Rydberg interactions)發(fā)生相互作用。

通常，量子電腦設(shè)計(jì)者將「連接性」(connectivity)作為描述哪些量子位元可以與其它量子位元相互作用的一種方式。

量子位元數(shù)和量子閘數(shù)等關(guān)鍵量子資源非常稀缺。正是由于這種稀缺性，必須最佳化這些有限資源在運(yùn)算過程中的部署方式。

在許多靜態(tài)設(shè)計(jì)中，如果彼此相距較遠(yuǎn)的量子位元需要相互作用，則解決方案是執(zhí)行一系列「量子位元交換」(qubit swaps)，使目標(biāo)量子位元中攜帶的資訊靠得更近。

但這些量子位元交換既會(huì)占用量子資源，又會(huì)導(dǎo)入新的錯(cuò)誤源。動(dòng)態(tài)改變量子位元位置的能力，可靈活地將問題映射為量子位元的物理排列，它可以幫助設(shè)計(jì)師借助量子位元的幾何排列來更有效地進(jìn)行編碼，從而用更少的資源來解決問題。

什么是FPQA？

為了匹配演算法的要求，F(xiàn)PQA允許使用者動(dòng)態(tài)創(chuàng)建量子處理器。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)使用者指定的量子位元相對(duì)于彼此的幾何位置，對(duì)量子位元連接進(jìn)行程式設(shè)計(jì)。這一概念源于包括哈佛大學(xué)在內(nèi)的幾個(gè)學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室，那里的研究人員已經(jīng)成功演示了基于中性原子量子技術(shù)且具有類比和數(shù)位功能的FPQA。

FPQA如何工作？

FPQA是采用中性原子量子電腦中使用的獨(dú)特控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)。中性原子量子電腦的處理器布局則是用聚焦雷射光束(有時(shí)稱為光鑷)捕獲中性原子(如銣87)來實(shí)現(xiàn)。

透過改變每個(gè)雷射指向的位置，用戶可以重新排列空間中的原子，這樣就實(shí)現(xiàn)了量子位元連接的可程式設(shè)計(jì)性。

現(xiàn)在，原子的幾何布置可以在每次運(yùn)算開始時(shí)得到更新。未來透過在運(yùn)算過程中移動(dòng)原子(例如最近演示過的配置)，將有可能實(shí)現(xiàn)具有資訊匯流排的動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)。

這一發(fā)展將是最佳化控制信號(hào)與量子位元數(shù)量比值的關(guān)鍵，并使量子位元之間的任意連接超出幾何約束。

FPQA如何能更有效地解決一系列問題

FPQA透過減少量子位元和閘開銷來提高量子演算法的資源效率。由于能夠快速更新量子位元布局和連接，因此能透過為每次運(yùn)算提供定制化運(yùn)算的方式，對(duì)演算法進(jìn)行快速測(cè)試、基準(zhǔn)測(cè)試和最佳化。

最佳化

最佳化是如何用FPQA實(shí)現(xiàn)更高量子運(yùn)算性能的一個(gè)例子。許多最佳化問題可以用圖的形式進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，各節(jié)點(diǎn)用于描述最佳化問題中的變數(shù)，各邊緣可以表示它們之間的各種關(guān)系。

例如，各節(jié)點(diǎn)可以描述眾多5G塔的潛在位置，而各邊緣描述在不產(chǎn)生干擾的條件下不能同時(shí)工作的塔對(duì)。在另一個(gè)更抽象的描述中，把每個(gè)節(jié)點(diǎn)想象成一檔股票，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的邊緣表示這些股票是相關(guān)的。

透過將每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配給一個(gè)量子位元并設(shè)置連接，這些圖形可以映射到類比FPQA上，從而使兩個(gè)量子位元在對(duì)應(yīng)的原子具有一條邊時(shí)可以發(fā)生互動(dòng)，這樣就能有效地找到一個(gè)量子位元數(shù)與問題中變數(shù)一樣多的解決方案。

用FPQA實(shí)現(xiàn)量子最佳化的其他有前途的領(lǐng)域包括機(jī)器人、布線最佳化和蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)(protein design)。在所有這些例子中，這些問題的幾何架構(gòu)及其約束都使得他們對(duì)典型的電腦構(gòu)成挑戰(zhàn)性。

量子模擬

FPQA的另一個(gè)重要用例是量子模擬，其中量子電腦可以用于深入了解重要量子力學(xué)系統(tǒng)(比如新材料)中的復(fù)雜現(xiàn)象。只有透過探索原子之間的相互作用，才能理解材料的某些物理現(xiàn)象。

為了觀察這些現(xiàn)象，就需要模擬這種模式，而利用FPQA對(duì)量子位元進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐帕芯涂梢詫?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。類似的應(yīng)用也可以在材料科學(xué)和高能物理學(xué)中找到。

動(dòng)態(tài)效能最佳化

FPQA不僅能為每個(gè)應(yīng)用程式創(chuàng)建一臺(tái)客制化電腦，甚至可以在運(yùn)算過程中的每一步啟動(dòng)之前對(duì)電腦進(jìn)行更新。這為自動(dòng)化處理器更新打開了大門，可進(jìn)一步提高處理效能。

它還可以最佳化動(dòng)態(tài)問題，例如，人們可以動(dòng)態(tài)地解決自主機(jī)器人即時(shí)變化的路徑問題，這在導(dǎo)致事故的條件發(fā)生變化時(shí)能夠及時(shí)更新量子位元的位置，即便是需要采用根本不屬于最初預(yù)定的路徑時(shí)也應(yīng)如此。

在不打算將量子處理器(量子電腦的核心)用作通用處理器，而是針對(duì)特定問題進(jìn)行了最佳化的情況下，F(xiàn)PQA允許在確定處理器最終布局之前的設(shè)計(jì)過程中不斷進(jìn)行試驗(yàn)。

FPQA掌握著更有效地利用量子資源的關(guān)鍵，從而加快了通往實(shí)用量子電腦的道路。?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-494653.html

到了這里，關(guān)于FPGA量子類比機(jī)制-FPQA，將在量子運(yùn)算設(shè)計(jì)中引發(fā)一場(chǎng)新的革命的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！