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量子算法簡介

一、概述

二、量子經(jīng)典混合算法

量子算法簡介

一、概述

量子算法是在現(xiàn)實的量子計算模型上運行的算法，最常用的模型是計算的量子電路模型。經(jīng)典（或非量子）算法是一種有限的指令序列，或一步地解決問題的過程，或每一步指令都可以在經(jīng)典計算機上執(zhí)行。

量子算法是一個逐步的過程，每個步驟都可以在量子計算機上執(zhí)行。雖然所有經(jīng)典算法都可以在量子計算機上實現(xiàn)，但量子算法這個術(shù)語通常用于那些看起來是量子的算法，或者使用量子計算的一些基本特性，如量子疊加或量子糾纏。

使用經(jīng)典計算機無法判定的問題，使用量子計算機仍然無法來確定。量子算法有趣的是，它們可能能夠比經(jīng)典算法更快地解決一些問題，因為量子算法所利用的量子疊加和量子糾纏可能不可以在經(jīng)典計算機上有效地模擬。

最著名的算法是Shor分解算法和Grover的搜索非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫或無序列表的算法Shor算法運行速度比最著名的經(jīng)典因式分解算法（一般的數(shù)域篩選算法）快得多（幾乎是指數(shù)級），對于同樣的任務(wù)，Grover算法運行速度比最好的經(jīng)典算法（線性搜索）要快得多。

二、量子經(jīng)典混合算法

量子計算機究競什么時候能夠真正實現(xiàn)？沒有人能給出確切的答案，不過在這條路上探索的人們非常明白，建立一個容錯的、具有足夠多的邏輯比特的系統(tǒng)，是一個非常漫長的任務(wù)。

然而，一個具有50個比特的量子系統(tǒng)，或者一個50個比特能模擬的量子系統(tǒng)，已經(jīng)難以被傳統(tǒng)計算機所模擬，它具有非常巨大的計算潛力。為了解決這個問題，Johm Preskill教授提出了一個全新的概念：含噪聲的中等規(guī)模的量子計算機（Noise Intermediate-ScaleQuantum），它被定義為未經(jīng)糾錯的，具有50個到數(shù)百個量子比特的量子計算機，簡稱為NISQ量子計算機。在NISQ上設(shè)計的算法可能和以往假設(shè)的容錯量子計算機上設(shè)計的算法完全不同，NISQ算法本身需要能容忍噪聲所造成的影響。

量子霸權(quán)在最初提出的時候，代表超過50個量子比特的量子計算機在生成特定分布（distribution）上超過了傳統(tǒng)計算機，但是研究表明，在這些問題上可以巧妙地選取模擬算法，使得經(jīng)典計算機也可以產(chǎn)生相同的分布。取代”量子霸權(quán)”（Quantum Supremacy）這個稱呼的，是量子優(yōu)勢”（Quantum Advantage）。量子優(yōu)勢意味著量子計算機在處理某些領(lǐng)域問題上，超過了傳統(tǒng)計算機的表現(xiàn)，相對于霸權(quán)而言，量子優(yōu)勢更注重量子算法以及實際的領(lǐng)域應(yīng)用?？梢哉f，量子優(yōu)勢是NISQ量子計算機領(lǐng)域的皇冠，誰奪取了皇冠，誰就證明了量子計算機可以投入到現(xiàn)實應(yīng)用中。相比為了制造出一個邏輯比特可能需要數(shù)萬個物理比特的容錯量子計算機而言，NISO計算機被認(rèn)為可以在短期的未來中被實現(xiàn)。因此，這個領(lǐng)域成為了量子計算研究的熱門。

量子經(jīng)典混合算法是一類近期提出的，適用于NISQ量子計算機上的算法。它的特點是量子計算機只處理整個算法中的一個部分，經(jīng)典計算機負(fù)責(zé)處理其他部分。絕大多數(shù)量子經(jīng)典混合算法中都會存在一個類似于機器學(xué)習(xí)中的參數(shù)優(yōu)化過程，其中，量子計算機處理一個包含多個參數(shù)的量子線路，并且對這些參數(shù)進行隨機的初始化，量子計算機執(zhí)行的結(jié)果會進一步被計算成一個損失函數(shù)，這個損失函數(shù)被輸入到經(jīng)典計算機的優(yōu)化器中，從而修改這些參數(shù)，之后再通過量子計算機進行計算，如此循環(huán)，直到達到優(yōu)化終止條件。例如損失函數(shù)收斂，達到最大優(yōu)化步數(shù)等。

第一個提出的量子經(jīng)典混合算法是變分本征求解器（Variational Quantm Eigensolver），即VQE算法，它可以被用于求解化學(xué)分子的基態(tài)，因此，這個算法可以被用于解決各類涉及化學(xué)計算的相關(guān)問題。對于經(jīng)典計算機而言，要表示N個分子軌道的占據(jù)狀態(tài)，需要用2”維的線性空間去計算，因此，在計算具有超過50個軌道的分子時就無法進行精確計算；而量子計算機的N個軌道正好需要N個量子比特完成模擬過程聽以這個問題可以在量子計算機上被有效的求解?，F(xiàn)在，針對組合優(yōu)化問題、機器學(xué)習(xí)問題，都有各種各樣的量子-經(jīng)典混合算法被提出，它們被認(rèn)為是有希望在NISQ計算機上實現(xiàn)。

由于量子經(jīng)典混合算法的框架類似于在經(jīng)典計算機上執(zhí)行的機器學(xué)習(xí)算法，因此可以利用類似于機器學(xué)習(xí)框架的系統(tǒng)去進行編程。本源量子所開發(fā)的VQNet框架XanaduAI公司開發(fā)的PennyLane框架，都是在原有機器學(xué)習(xí)框架上擴展支持量子計算的部分。VQNet是基于符號運算的機器學(xué)習(xí)框架，它設(shè)置了“含參量子線路”（Variational Quantum Circuit），可以通過變量生成一個量子線路。通過含參量子線路可以進一步構(gòu)建成量子算符（Quantum Operator），量子算符相當(dāng)于對變量的運算，這種運算等價于一個普通的算符，支持求值和偏微分操作，因此，量子算符就可以容納到機器學(xué)習(xí)這個框架中。利用VQNet可以實現(xiàn)目前絕大多數(shù)的量子-經(jīng)典混合算法，包括VQE，QAOA，QCL等等。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-782274.html

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