英特爾聚焦全棧量子研究：發(fā)布多項重磅量子計算研究成果

在近日舉行的 IEEE量子計算與工程國際會議（“IEEE Quantum Week 2020） 上，英特爾將展示一系列研究成果，著重介紹其在量子計算硬件、軟件和算法領域的創(chuàng)新性全棧方法。這些研究成果展示了量子計算在這些領域的重要進展，對于構建可運行應用程序、可擴展的商業(yè)級量子系統(tǒng)至關重要。 

“英特爾一直專注于量子計算在短期內的實用性應用，這項顛覆性技術正在走出物理實驗室，并穩(wěn)步過渡到工程領域。從控制量子比特的自旋量子位硬件和cryo-CMOS技術到軟件和算法研究，英特爾研究院在量子計算堆棧的每一層上都取得了切實的進步，大力推動可擴展、可商業(yè)應用的量子架構。采用這種系統(tǒng)級的方法對實現(xiàn)量子實用性至關重要，”英特爾研究院量子應用和架構總監(jiān)Anne Matsuura博士表示。

英特爾全棧量子研究的意義：目前，對量子計算的大部分研究主要集中在硬件技術上。但是，由于量子計算是一種全新的計算范例，因此它需要新的硬件、軟件和算法堆棧，才能實現(xiàn)一個可運行應用程序的商業(yè)級量子系統(tǒng)。使用模擬有助于全面了解構建完整量子堆棧的所有組件，并可以提前考慮構建到實際量子系統(tǒng)的工作負載。在當前進行量子計算的全棧研究（涉及硬件、軟件和算法）是非常有必要的，因為隨著硬件成熟，應用程序已經準備好在小型的量子計算機上運行。這種方法是英特爾采取以系統(tǒng)為導向、以工作負載為驅動的量子計算開發(fā)策略的核心，也是英特爾實現(xiàn)量子實用性愿景的基礎。

成果展示： 英特爾Anne Matsuura博士將發(fā)表主題為《量子計算：一種可擴展、系統(tǒng)級研究方法》的演講，重點介紹英特爾通過采用系統(tǒng)級方法擴展量子系統(tǒng)以實現(xiàn)商業(yè)化的策略。

此外，為期一周的大會上還將展示英特爾研究院的幾篇研究論文，重點介紹全棧量子系統(tǒng)級研究以及在量子系統(tǒng)上運行應用程序的進展。

以下是此次大會上英特爾量子研究成果的重點摘要：

研究重點： 利用深度學習設計多量子比特門（Multi-Qubit Gates）
論文標題：利用深度強化學習設計高保真多量子比特門

概述： 量子點硅量子位（Quantum dot silicon qubits）（量子計算領域正在探索的眾多方法之一）因體積較小，有助于實現(xiàn)量子可擴展性。在使用這種技術的商業(yè)級量子計算機上需要高保真的多量子比特門。該研究展示了將深度學習框架可成功用于模擬設計量子點量子比特系統(tǒng)的高保真多量子比特門（multi-qubit gates）。

重要意義： 隨著量子計算硬件的不斷發(fā)展，機器學習技術將在量子門（quantum gates）的設計優(yōu)化和部署中大顯身手。

研究重點： 將經典數(shù)據(jù)集有效地加載到量子計算機中
論文標題：高效的量子電路可用于準備平穩(wěn)、可微函數(shù)的精確狀態(tài)

概述： 為了使機器學習能夠利用量子技術實現(xiàn)計算的指數(shù)級加速，需要將經典數(shù)據(jù)有效地加載到量子系統(tǒng)中以便執(zhí)行。如今，對于量子系統(tǒng)而言，這仍然是一個極具挑戰(zhàn)性的問題，因為即使加載中等大小的數(shù)據(jù)集也要花費大量的時間。該研究展示了應對這一挑戰(zhàn)的進展，并重點介紹了一種算法，該算法可有效加載某些用于生成這些數(shù)據(jù)集的高使用率函數(shù)（例如高斯分布和概率分布）。

重要意義： 當今的機器學習系統(tǒng)正在迅速接近經典計算模型的極限。這項研究展示量子計算機可用于需要數(shù)據(jù)集的機器學習等應用。

研究重點： 量子物理學模擬的最佳量子比特配置（Optimal qubit configurations）
論文標題：有關d級粒子數(shù)字量子模擬的連接依賴型資源要求的研究

概述： 這項研究著重介紹了量子物理模擬算法（也稱哈密頓量模擬）（Hamiltonian simulation），該算法可輕松高效地在小型量子比特系統(tǒng)上運行，同時還研究了在不同的量子比特配置上執(zhí)行這些算法的資源需求。 

重要意義： 量子計算的早期應用之一將是如何有效地模擬量子物理學。這項研究成果對在特定應用領域設計量子比特芯片具有重要影響。

研究重點：用于后量子密碼學的BIKE加速器
論文標題：使用常數(shù)時間解碼器（constant time decoder）進行高效BIKE硬件設計

概述：通過解密當前由經典密碼算法加密的所有數(shù)據(jù), 量子計算機有可能攻擊經典加密算法。當今流行的共享加密密鑰的方法（例如Diffie-Hellman）預計會受到量子攻擊。比特翻轉密鑰封裝技術BIKE (Bit-flipping Key Encapsulation)是一種用于后量子加密的可行方法，美國國家標準與技術研究院（NIST）目前正對此進行調研。這項研究以英特爾先前對BIKE的研究為基礎，并提出了BIKE硬件加速器的設計。

重要意義：量子計算機有可能發(fā)展出牢不可破的加密技術，大大提高了信息的安全性。如今，像BIKE這樣的后量子算法可以在密碼系統(tǒng)中使用，以使其具有抵御量子攻擊的能力。

研究重點：在小型量子比特系統(tǒng)上有效執(zhí)行抗噪聲算法的新技術
論文標題：開發(fā)變分量子算法的成本函數(shù)，以便在近期設備上實現(xiàn)

概述：對于近期內出現(xiàn)缺乏糾錯能力的量子計算機，混合量子經典算法是最可行的方法之一，但難以運行。這項研究著重介紹了一種成功在實際量子比特上實現(xiàn)的新技術，該技術可以幫助這些抗噪聲算法在小型量子位系統(tǒng)上高效運行。
重要意義：由于具備錯誤校正功能的量子計算機目前尚不存在，因此抗噪聲算法取得進展非常重要，以便在可預見的將來，這些算法可以在量子系統(tǒng)上高效運行。

圖注：英特爾公司使用這種同位素純晶片在其300毫米工藝技術上發(fā)明了自旋量子位制造流程。（圖片來源：英特爾公司）

更多內容：

可以參見 英特爾研究院 （新聞資料包）

英特爾研究院的量子計算工作 （新聞資料包）