Quantum

本文主要包含量子應(yīng)用方向、學(xué)習(xí)課程、入門資料，歡迎大家一起討論和分享。
更多學(xué)習(xí)資料

1. 應(yīng)用方向

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更詳細(xì)的分析報(bào)告

• Quantum Computing in the NISQ era and beyond
• The CIO’s Guide to Quantum Computing
• Commercialize quantum technologies in five years

2. 公司

• Cambridge QC
• D-Wave Systems
• ID Quantique

ID Quantique 于2001 年成立于瑞士日內(nèi)瓦，主攻基于傳統(tǒng)和量子技術(shù)的高性能多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)加密（量子密鑰分配），以及量子隨機(jī)數(shù)生成器的技術(shù)開發(fā)，主要為金融、國(guó)防、政府部門，以及在線游戲、數(shù)學(xué)模擬等領(lǐng)域提供網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)。

• KnuEdge

美國(guó)公司KnuEdge 成立于2005 年。該公司具有很強(qiáng)的傳奇色彩：其創(chuàng)始人是美國(guó)前宇航局（NASA）局長(zhǎng)丹尼爾·戈?duì)柖?Daniel Goldin)。丹尼爾自宇航局卸任之后行蹤隱秘，甚至從媒體報(bào)道中消失，直到10 年后宣布其創(chuàng)立的量子計(jì)算公司KnuEdge 推出模仿人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、名為KnuPath 的首款芯片。公司宣稱其開發(fā)的是革命性技術(shù)，為新一代機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)未來(lái)所需的工具，并改進(jìn)語(yǔ)音識(shí)別等人機(jī)交互界面，以推動(dòng)人工智能的發(fā)展。從媒體評(píng)價(jià)來(lái)看，這是一家希望超越Google、 AMD 和Intel 的量子芯片公司。公司已獲得1 億美元的巨額天使投資，在2016 年中時(shí)已實(shí)現(xiàn)2000 萬(wàn)美元營(yíng)收，客戶覆蓋大型計(jì)算機(jī)公司與財(cái)富500 強(qiáng)企業(yè)，涉及航空航天、金融、醫(yī)療、酒店、保險(xiǎn)等行業(yè)。

• Rigetti Computing

由前 IBM 應(yīng)用物理學(xué)家 Chad Rigetti 創(chuàng)立于2013 年，致力于量子計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)，使命是“打造世界最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)”。目前，公司正在建立一個(gè)人工智能與計(jì)算化學(xué)的云端量子計(jì)算平臺(tái)，并開放了名為Forest 的測(cè)試版API，通過(guò)量子-經(jīng)典混合計(jì)算模型，直接集成現(xiàn)有的云基礎(chǔ)設(shè)施，把量子計(jì)算機(jī)作為加速器。公司曾在著名孵化器Y Combinator接受孵化，并在孵化期間獲250 萬(wàn)美元種子輪融資。2017 年3月，公司連續(xù)獲得Andreessen Horowitz 領(lǐng)投的2400 萬(wàn)美元A 輪融資，以及Vy Capital 領(lǐng)投、Andreessen Horowitz 參投的4000 萬(wàn)美元B 輪融資，累計(jì)融資6920 萬(wàn)美元。該項(xiàng)投資將用于公司擴(kuò)大團(tuán)隊(duì)、拓展業(yè)務(wù)，以及用于制造和部署量子集成電路基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)。

• Post-Quantum

英國(guó)公司Post-Quantum 成立于2009 年，公司以“保護(hù)世界的信息（Protectingthe World’s Information）”為使命，主攻量子加密技術(shù)。公司坦承自身的技術(shù)要得到廣泛應(yīng)用還為時(shí)尚早，當(dāng)前主要是把握客戶的短期痛點(diǎn)，并為他們提供一套模塊化的安全解決方案，包括安全通信、需要共識(shí)批準(zhǔn)的授權(quán)訪問(wèn)、生物識(shí)別，以及結(jié)合區(qū)塊鏈的安全應(yīng)用等。公司一直到創(chuàng)立七年后，也就是在2016 年才獲得來(lái)自AM Partners、VMS Investment Group 的1030 萬(wàn)美元A 輪融資。據(jù)公司創(chuàng)始人Andersen Cheng 回顧，因?yàn)楣镜臉I(yè)務(wù)過(guò)于新穎和復(fù)雜，許多投資機(jī)構(gòu)甚至聽不懂他們?cè)谧鍪裁矗怨镜娜谫Y經(jīng)歷非常艱難而曲折，而新投資者在5 分鐘內(nèi)就搞明白了是怎么回事。從他們的經(jīng)歷可以看出，堅(jiān)持下來(lái)，并靜待“有緣人”是多么重要。

3. 學(xué)習(xí)&&課程

• Course Information for Physics 219Computer Science 219 Quantum Computation
• MIT
• caltech

3.1 入門書籍

更多資料學(xué)習(xí)

• 入門書籍：量子計(jì)算和量子信息Nielsen

3.2 學(xué)習(xí)建議和資料

• shor
• learn advice
• A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits
• Experimental realization of order-finding with a quantum computer
• 量子計(jì)算入門
• From Classical to Quantum Shannon
  Theory
• CLUSTER-STATE QUANTUM COMPUTATION

3.3 nature

• Tuning quantum channels to maximize polarization entanglement for telecom photon pairs
• Unveiling noiseless clusters in complex quantum networks
• Commercialize quantum technologies in five years

4. 有意思的方向

• AI quantum Computing
• 盲量子計(jì)算
• 量子模擬器，量子語(yǔ)言

5. 咕嚕咕嚕

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

• In the 1970’s Fredkin, Toffoli, Bennett and others began to look into the possibility of reversible computation to avoid power loss.?Since quantum mechanics is reversible, a possible link between computing and quantum devices was suggested?Some early work on quantum computation occurred in the 80’s?1982 Benioff: Quantum computers are universal.

• 1982 Feynman: Quantum computer could simulate other quantum systems.?1993 Bernstein, Vazirani and Yao: Quantum systems are more powerful than classical computers.

關(guān)鍵名詞解釋

1. 量子的疊加態(tài)

量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個(gè)物體在某一時(shí)刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻可以同時(shí)處于多種狀態(tài)。疊加態(tài)是“0”態(tài)和“1”態(tài)的任意線性疊加，它以一定的概率同時(shí)存在于“0”態(tài)和“1”態(tài)之間。量子不像半導(dǎo)體只能記錄0與1，可以同時(shí)表示多種狀態(tài)，如果把半導(dǎo)體比成單一樂(lè)器，量子計(jì)算機(jī)就像交響樂(lè)團(tuán)，一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況。

2.量子糾纏

根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個(gè)量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。也就是說(shuō)，當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

量子比特就是利用了這些性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了天然的并行計(jì)算。我們可以通過(guò)特定技術(shù)對(duì)量子態(tài)進(jìn)行一次變換，即可對(duì)所有狀態(tài)同時(shí)操作，且只消耗 1 單位時(shí)間。試想一下，一個(gè)64位的量子比特可以同時(shí)表示0～264-1的所有整數(shù)，那我們做一次kx的乘法操作，就相當(dāng)于同時(shí)計(jì)算了k0、k1、…、k(264-1)！

也就是說(shuō)，當(dāng)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輸入一次運(yùn)算一次，而量子計(jì)算這種并行處理方式的速率足以讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及。尤其是在多種并行運(yùn)算或者多種操作的情況下，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)會(huì)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。

3. 量子門

目前的電子計(jì)算機(jī)還有個(gè)熱耗散的問(wèn)題，根據(jù)蘭道爾原理，信息的損失將導(dǎo)致發(fā)熱，而經(jīng)典邏輯門運(yùn)算都是不可逆計(jì)算，會(huì)帶來(lái)信息損失進(jìn)而發(fā)熱（雖然很少）。量子門是操作量子比特的基本單元，量子門是可逆的，信息沒有損失，因而量子計(jì)算機(jī)可以自循環(huán)而沒有熱耗散。

4. 量子測(cè)量

跟經(jīng)典計(jì)算機(jī)的另一個(gè)區(qū)別，就是量子比特始終處在疊加態(tài)之上，只有經(jīng)過(guò)測(cè)量，你才可能獲得自己想要的結(jié)果。但是，量子力學(xué)里面有個(gè)基本的定理叫做量子不可克隆定理，無(wú)法對(duì)一個(gè)未知量子態(tài)精確復(fù)制，使得每個(gè)復(fù)制態(tài)與初始量子態(tài)完全相同。所以只能多次執(zhí)行，多次測(cè)量。還是用前面的例子來(lái)說(shuō)明，在執(zhí)行完kx的操作后，我們同時(shí)計(jì)算出了k0、k1、…、k(2^64-1)所有這些結(jié)果，但我可能只關(guān)心其中某一個(gè)特定的結(jié)果，譬如k100的結(jié)果。那我們就需要對(duì)量子比特進(jìn)行若干次測(cè)量，每次測(cè)量都會(huì)得到一個(gè)具體的kx的結(jié)果，直到我們遇到了x=100的情況，才可以得到k*100的結(jié)果。這種反復(fù)的計(jì)算和測(cè)量，看似比經(jīng)典計(jì)算低效。但是考慮到狀態(tài)空間是非常巨大的，合理的疊加態(tài)設(shè)計(jì)會(huì)使得多次計(jì)算和測(cè)量要遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算更加高效。
量子計(jì)算機(jī)是在1980年代由費(fèi)米首次提出的，很快就得到了物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)學(xué)家的關(guān)注。目前，雖然具體的實(shí)體設(shè)備還處在探索階段，但基于量子計(jì)算原理，人們已經(jīng)構(gòu)造了很多的量子算法。這里列舉其中最著名的幾個(gè)：

5. Grover算法：

計(jì)算機(jī)科學(xué)家Grover提出一種復(fù)雜度為0√N(yùn)的搜索算法，它是量子計(jì)算中非常重要的算法，基于量子門和量子測(cè)量原理，與經(jīng)典的計(jì)算比較大的差別表現(xiàn)在量子計(jì)算是把所有的數(shù)據(jù)看作一個(gè)整體去做運(yùn)算，在數(shù)據(jù)量比較大的情況下這個(gè)算法在搜索運(yùn)算中相較傳統(tǒng)算法得到極大提升。并且，無(wú)論是在機(jī)器學(xué)習(xí)中還是日常的實(shí)際業(yè)務(wù)領(lǐng)域，搜索都是常用的場(chǎng)景，如果我們能夠在相關(guān)的硬件上實(shí)現(xiàn)Grover算法，很多集成系統(tǒng)都會(huì)極大的提升性能。

6. Shor算法：

第二個(gè)非常重要的算法是在安全領(lǐng)域非常重要的算法。它提出了一種復(fù)雜度為0（logN）的質(zhì)因數(shù)分解演算法，可以迅速破解現(xiàn)在的安全體系基礎(chǔ)——RSA加密，這本來(lái)是需要天文數(shù)字的算力，在應(yīng)用Shor算法后變得異常簡(jiǎn)單。可以說(shuō)，Shor算法足以顛覆目前的信息安全體系。

7. HHL算法：

該領(lǐng)域在2008年HHL量子算法（以三位創(chuàng)始人Aram Harrow，Avinathan Hassidim和Seth Lloyd命名）出現(xiàn)之后就開始了快速發(fā)展。HHL算法解決了涉及多自由度的廣泛線性代數(shù)問(wèn)題，解決問(wèn)題的速度比任何傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)都要快。并且，由于大部分機(jī)器學(xué)習(xí)都涉及到這些高自由度的（高維）代數(shù)問(wèn)題，一些機(jī)器學(xué)習(xí)研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向了HHL的研究潮流。過(guò)去幾年中，基于HHL的量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法在技術(shù)文獻(xiàn)中不斷增多。這個(gè)算法開創(chuàng)了整個(gè)量子機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)代。

- Hamiltonians
- interdisciplinary
- Toffoli
- Shor’s algorithm
- Hilbert space：量子力學(xué)中，一個(gè)物理系統(tǒng)可以表示為一個(gè)復(fù)希爾伯特空間，其中的向量是描述系統(tǒng)可能狀態(tài)的波函數(shù)。