現(xiàn)代計(jì)算革命是由中央處理器(CPU)的發(fā)展推動(dòng)的，隨著時(shí)間的推移，CPU變得更小、更復(fù)雜。這種發(fā)展最終形成了微處理器，今天我們使用的CPU的主要形式。在這個(gè)過(guò)程中，出現(xiàn)了更專業(yè)的芯片——圖形處理器(GPU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和專用集成電路(ASIC)。每一種專用芯片都能加速和改善不同維度的處理性能，并解鎖新的計(jì)算能力。

量子的出現(xiàn)，為計(jì)算能力下一個(gè)變革做了準(zhǔn)備

每一個(gè)新的計(jì)算選項(xiàng)的出現(xiàn)都會(huì)促進(jìn)計(jì)算能力的混合發(fā)展。現(xiàn)在，我們不再簡(jiǎn)單地將指令發(fā)送到CPU，可以跨一系列設(shè)備進(jìn)行計(jì)算，每種都可以解決一組特定的問(wèn)題。

計(jì)算選項(xiàng)的增加同時(shí)也復(fù)雜化了計(jì)算環(huán)境。這種復(fù)雜性帶來(lái)了兩個(gè)挑戰(zhàn)，一是設(shè)計(jì)上需要?jiǎng)?chuàng)建穩(wěn)定和可擴(kuò)展的架構(gòu)，以便于執(zhí)行多設(shè)備計(jì)算的作業(yè)。二是確保以高效、優(yōu)化和可重復(fù)的方式實(shí)際運(yùn)行這些工作。換句話說(shuō)，我們不僅要設(shè)計(jì)多設(shè)備架構(gòu)，還需要在它們之間協(xié)調(diào)計(jì)算。

通過(guò)這樣我們可以更好地理解量子堆棧。量子堆棧是一個(gè)包含量子計(jì)算設(shè)備的堆棧，這些設(shè)備使用的計(jì)算能力都是混合型的。堆棧的結(jié)構(gòu)必然涉及經(jīng)典處理器和量子計(jì)算設(shè)備。即使在今天的單個(gè)量子算法中，計(jì)算也是在經(jīng)典處理器和量子處理器之間共享的。

量子堆棧的結(jié)構(gòu)反映了復(fù)雜性

結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性還因現(xiàn)實(shí)情況變得更復(fù)雜：就像在其他體系結(jié)構(gòu)中訪問(wèn)高性能GPU和HPC資源一樣，現(xiàn)在和將來(lái)對(duì)量子設(shè)備的訪問(wèn)是遠(yuǎn)程化的。

同時(shí)，為了保護(hù)其不斷發(fā)展的IP，嘗試量子能力的組織也會(huì)嚴(yán)重依賴自己和內(nèi)部的私有云資產(chǎn)。

量子硬件和軟件繼續(xù)發(fā)展

因?yàn)榱孔佑布蛙浖荚诓粩喟l(fā)展，量子堆棧的架構(gòu)及其組件的編排必須允許一定程度的"交換能力"。也就是說(shuō)，量子體系結(jié)構(gòu)要有一定程度的靈活性，使組織能夠在不受任何一種解決方案束縛的情況下，嘗試新技術(shù)和新的協(xié)調(diào)方式。在量子相關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)中，對(duì)互操作性的強(qiáng)調(diào)預(yù)示著對(duì)適應(yīng)性的持續(xù)需求。

量子堆棧的混合性質(zhì)

除了描述混合量子體系結(jié)構(gòu)的一些獨(dú)特特征外，還包括：

第1， 量子堆棧的混合特性反映了在計(jì)算設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)中存在著更廣泛的混合趨勢(shì)。

第2， 量子器件與各種經(jīng)典器件之間的內(nèi)在差異意味著它們不會(huì)相互取代。

第3， 混合體系結(jié)構(gòu)固有的復(fù)雜性要求編排工具能夠簡(jiǎn)化和優(yōu)化它們的性能。

經(jīng)典與量子的相對(duì)優(yōu)勢(shì)

經(jīng)典器件和量子器件有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，至少在一定程度上反映了它們的相對(duì)成熟程度。最早的機(jī)械計(jì)算設(shè)備可以追溯到19世紀(jì)中葉，第一臺(tái)可編程計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代中期。從那時(shí)起，經(jīng)典計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展，大致以摩爾定律為主。今天，它們執(zhí)行一系列不可思議的功能，包括量子設(shè)備的模擬。

20世紀(jì)的量子計(jì)算

量子計(jì)算是20世紀(jì)的產(chǎn)物。量子物理學(xué)的理論在20世紀(jì)20年代才合并，理查德·費(fèi)曼直到1982年才提出量子計(jì)算裝置的基本構(gòu)想。也就是說(shuō)，量子處理技術(shù)正在接近一個(gè)臨界點(diǎn)，在某些情況下，它將超越經(jīng)典設(shè)備。

量子設(shè)備——不斷變得更加強(qiáng)大

隨著量子器件的不斷改進(jìn)，在某些功能上會(huì)比經(jīng)典器件的功能更強(qiáng)大。傳統(tǒng)的器件依賴于二進(jìn)制位，二進(jìn)制位的值可以是1或0，而量子器件依賴于可以同時(shí)以兩種狀態(tài)的線性組合存在的量子比特。

一個(gè)量子位的狀態(tài)也可以與其他量子位的狀態(tài)糾纏在一起，這意味著一個(gè)量子位的行為可以影響許多量子位的行為。由于這些獨(dú)特的特性，添加更多的量子比特會(huì)產(chǎn)生一種網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)迅速地給量子設(shè)備帶來(lái)比經(jīng)典替代品更多的計(jì)算能力。

鑒于這些差異，我們應(yīng)該如何看待經(jīng)典和量子計(jì)算設(shè)備的相對(duì)優(yōu)勢(shì)?

現(xiàn)在和將來(lái)，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和參數(shù)選擇到后處理、繪圖和某些類型的數(shù)據(jù)分析，經(jīng)典計(jì)算將是最好的。目前，高性能計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)也是分析海量數(shù)據(jù)集的最佳工具。

當(dāng)然，經(jīng)典裝置在某些情況下所具有的優(yōu)勢(shì)并不僅僅是由于這些裝置的固有特性。它們也源于這樣一個(gè)事實(shí)，即已經(jīng)建立了針對(duì)這些用例的最佳實(shí)踐、優(yōu)化和工具生態(tài)系統(tǒng)。

量子的力量

量子的一個(gè)相對(duì)優(yōu)勢(shì)在于它能夠通過(guò)從多個(gè)方向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行廣泛分析，從小數(shù)據(jù)集中提取信息。當(dāng)數(shù)據(jù)難以獲取時(shí)，這些能力將對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)和建模復(fù)雜但罕見(jiàn)的現(xiàn)象(如金融危機(jī)和全球流行病)的演變產(chǎn)生重大影響。

量子計(jì)算允許增強(qiáng)從概率分布中取樣的能力，而這些概率分布是用經(jīng)典技術(shù)很難取樣的。這在解決優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題方面有許多應(yīng)用，例如生成模型。

最后，正如理查德·費(fèi)曼首次提出的那樣，量子器件可以用來(lái)模擬量子系統(tǒng)，比如分子間的相互作用，這是經(jīng)典器件永遠(yuǎn)做不到的。

量子器件不會(huì)取代經(jīng)典器件

量子設(shè)備可以用來(lái)解決特定的問(wèn)題，特別是在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以解決的問(wèn)題。量子技術(shù)的內(nèi)在能力將使它能夠加速生物、化學(xué)、物流和材料科學(xué)的進(jìn)步。

長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，整個(gè)計(jì)算領(lǐng)域都趨向于混合模式的發(fā)展。量子計(jì)算遵循這一趨勢(shì)，主要是因?yàn)榛旌夏Ｊ教峁┝艘环N特殊形式的計(jì)算能力。

由于在早期很少有企業(yè)愿意投資(或有能力負(fù)擔(dān)得起)量子硬件，因此他們建造出可以根據(jù)需要訪問(wèn)量子設(shè)備的經(jīng)典架構(gòu)。

人們預(yù)測(cè)到量子破壞的組織——化學(xué)和材料科學(xué)、制藥、金融服務(wù)、物流、安全等——應(yīng)特別專注于開(kāi)發(fā)這些體系結(jié)構(gòu)，并培養(yǎng)其他必要資源，以確保量子就緒。

除了經(jīng)典的計(jì)算能力，這些資源還包括量子所需的人才和內(nèi)部專業(yè)知識(shí)。

量子未來(lái)

展望未來(lái)，量子計(jì)算可能永遠(yuǎn)是一種"混合"技術(shù)。首先，使用量子計(jì)算來(lái)做一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)做得很好的事情是沒(méi)有必要的。其次，成本仍然是一個(gè)問(wèn)題。量子設(shè)備現(xiàn)在和將來(lái)都是昂貴和專業(yè)化的。用它們來(lái)做一些高級(jí)計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)可以做的事情是不劃算的。

最后，回到上面提到的一點(diǎn)：由于量子計(jì)算可以而且應(yīng)該應(yīng)用于不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能解決的問(wèn)題，真正的商業(yè)挑戰(zhàn)是在特定行業(yè)中準(zhǔn)確地確定量子設(shè)備最適合的那些問(wèn)題或問(wèn)題的方方面面。

編排和混合方法

談到對(duì)編排的需求，可以從混合云基礎(chǔ)設(shè)施中學(xué)習(xí)到一些東西。69%的企業(yè)已經(jīng)采用了混合云方法，所涉及的復(fù)雜性使許多企業(yè)開(kāi)始采用云管理。而這種管理，就像云本地架構(gòu)的管理一樣，采取了編排的形式。

混合量子堆棧，特別是同時(shí)依賴云和內(nèi)部/私有云資源的量子堆棧，同樣需要管理和協(xié)調(diào)，以確保程序、實(shí)驗(yàn)和過(guò)程順利運(yùn)行。

這種編排需要從底層硬件抽象出來(lái)的工作流管理工具。抽象是必要的，部分原因是量子器件和相關(guān)工具的擴(kuò)散。

為了有效地使用這個(gè)不斷擴(kuò)展的工具集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，組織需要靈活地從一個(gè)混合配置轉(zhuǎn)移到下一個(gè)，而不必基于底層硬件重寫所有配置。一個(gè)有效的工作流管理系統(tǒng)必須促進(jìn)這種互操作性。

量子后端

當(dāng)新的量子后端可用時(shí)，編排應(yīng)該能夠在一行中從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)。類似地，編排應(yīng)該支持更改變量量子算法中使用的優(yōu)化器的能力，以便在不編寫額外代碼的情況下比較性能。

編排應(yīng)該能夠組合來(lái)自多個(gè)框架和庫(kù)的源代碼，從而消除建立新環(huán)境的繁瑣工作，并騰出時(shí)間專注于運(yùn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。

提高工作效率

為了擴(kuò)大工作規(guī)模，在構(gòu)建和使用混合量子體系結(jié)構(gòu)時(shí)，一定水平程度上的硬件是必要的。編排工具必須具有適應(yīng)性，不僅要考慮到現(xiàn)有硬件的多樣性，而且還要考慮到其他可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

僅在過(guò)去的一年中，這些工作流管理和編排工具必須能夠跟上量子技術(shù)加速發(fā)展的步伐。事實(shí)上，這些工具提供的適應(yīng)性本身將推動(dòng)量子技術(shù)的廣泛采用。

今天的微處理器與過(guò)去基于管的中央處理器幾乎沒(méi)有相似之處。

事實(shí)上，目前的iPhone擁有100萬(wàn)倍的RAM，700萬(wàn)倍的ROM，處理信息的速度比阿波羅11號(hào)登月并帶回月球的計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍。

隨著量子處理器的成熟，它們最終將與當(dāng)前的經(jīng)典計(jì)算設(shè)備保持同樣的距離，從而使它們能夠解決即使是最好的這些設(shè)備也無(wú)法解決的問(wèn)題。

這樣的比較指出了量子計(jì)算將帶來(lái)巨大的變化，現(xiàn)在和將來(lái)，利用這種能力將需要量子和經(jīng)典器件在一個(gè)混合模型中協(xié)同工作。

通過(guò)這種方式，公司能夠解決廣泛的商業(yè)問(wèn)題。隨著這些混合機(jī)器改變了安全性和機(jī)器學(xué)習(xí)，它們將影響到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

結(jié)論

從純粹實(shí)用的角度來(lái)看，混合方法是接近量子的最有效、最具成本效益和最有成效的方法。在量子計(jì)算過(guò)程中，依靠經(jīng)典設(shè)備來(lái)完成這些任務(wù)，而這些任務(wù)是它們最適合的，并且在過(guò)去的50年里，它們已經(jīng)被優(yōu)化過(guò)，這不僅是正確的道路，也是唯一的最佳路徑。

原因是，量子器件和經(jīng)典器件不僅解決問(wèn)題的方式不同，它們解決的問(wèn)題也不同。這就是為什么說(shuō)"量子計(jì)算會(huì)做這個(gè)或那個(gè)"有點(diǎn)用詞不當(dāng)。事實(shí)是，真正的革命將由經(jīng)典和量子在越來(lái)越強(qiáng)大的混合解決方案中的聯(lián)合力量所驅(qū)動(dòng)。