DAOrayaki ｜七个项目帮你深入了解量子计算

Quantum Computing

a year ago • 15 min read

DAOrayaki ｜七个项目帮你深入了解量子计算

Quantum Computing

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DAOrayaki DAO研究奖金池：

资助地址: DAOrayaki.eth

投票进展：DAO Reviewer 1/0 通过

赏金总量：50 USD

研究种类：Quantum Computing，Qiskit，Algorithms

原文作者: Ryan F. Mandelbaum

创作者：hahaho@DAOrayaki.org

审核者：Yofu@DAOrayaki.org

原文: Learn Quantum Computing With These Seven Projects

DAOrayaki 是一个去中心化的研究者组织和去中心化媒体，通过 DAO的形式去中心化地资助世界各地的研究者进行研究、翻译、分析等工作。DAOrayaki 由早期的 DAO 组织 DAOONE 核心成员发起，得到了Dora Factory基础设施的支持。欢迎通过文末方式提交DAO的研究，瓜分10000USDC赏金池！了解去中心化自治组织（DAO），探讨最新治理话题，关注DAO的发展趋势，欢迎加入DAOrayaki社区！

新的一年应该学一些新知识——比如，如何编码运行一个量子计算机程序。

量子计算机的工作原理是根据数学规律来控制次原子粒子（又称亚原子粒子）的行为来进行计算。希望有一天，量子计算机能比普通计算机更有效率的解决物理、化学、商业和其他领域的问题。量子计算领域仍然有很大的发展空间，所以现在是个好时机加入这个领域并推动其未来的发展。如果你对Python编程语言有基本的了解，熟练掌握一些高中水平的数学知识，比如线性代数和复数，同时有一台连接互联网的计算机，那么你也可以编写量子计算机程序。

不知从何下手？没关系，到了Qiskit ，之后的事很简单。Qiskit是个有开源软件开发工具包，并致力于在真正的量子硬件上编写软件程序的社区。我们同时在社区内发布了海量免费且全面的量子计算和量子硬件学习资源。

实践是学习过程中重要的一部分。Qiskit社区成员开展了很多有意思的新项目，有的是自己之前就在运营，有的是在黑客马拉松期间产生，这些项目可以作为了解量子计算的切入口；我在下文将介绍其中的几个，并附上了链接。各自项目还伴有大量的Jupyter文档，它们可以帮助你了解这些项目、它们的应用方向以及我们对这个领域感到兴奋的原因。如果你在安装 Qiskit和运行Jupyter文档时需要帮助，你可以在阅读此处Qiskit文档。(https://qiskit.org/documentation/getting_started.html)

构建一个量子随机数生成器

随机性是量子计算的核心。量子力学中第一个违反直觉的规律是，有些事你知晓（比如描述原子周围电子区域位置的波函数），但实际观测时，（如果从不同轨道上测量电子）结果却是随机确定的。我们可以通过构建随机数生成器，来生成叠加状态解决这个问题。

它工作原理是，量子随机数生成器使用哈达玛门（阿达马闸）在一个或多个量子比特上建立叠加状态。哈达玛门将量子比特从 0 状态转换成 0 和 1 叠加状态，这意味着可以在量子电路的末端观测量0 或 1 的量子比特值。如果将一串量子比特视为二进制值（例如 1111 = 15），那么对每个量子比特应用哈达玛门后进行测量将生成一个随机位串，从而生成一个随机数。之后便可以在任何需要随机性的地方使用此随机数；比如，你可以借此创造一个讲述随机量子Dad joke的机器人。（译者注：dad joke是通常以双关形式表现的短笑话，或冷笑话，比如 son：i am hungry dad：hi，hungry，i am dad）

实现Grover搜索算法

量子计算机未来最受关注的应用之一是在Grover算法的帮助下，能比传统计算机更高效的通过数据库执行非结构化搜索。Grover 的算法可以在这些非结构化搜索中提供二次加速，这意味着，传统搜索在大小为 N 的列表进行搜索可能需要 N/2 到 N 次尝试找到目标，但 Grover 的算法只需要 √N 步。然而，Grover的算法不仅仅是一个搜索工具。它使用一种称为幅度调制的例程，该例程也可以为其他算法提供二次加速。

假设想在一个数字列表查找一个已给定的数字是否存在。Grover的算法从一个 oracle函数开始，该函数标记任何满足给定标准的值。但这还不足以让我们找到它。然后应用扩散函数（diffuser function），它使算法能更精准的返回标记值的位置。此过程大约重复 √N 次(N 是列表的大小)，同时，与标记值的位置相关联的幅度值会放大到足够准确的返回该位置的程度。

使用秀尔算法分解一个数字

秀尔算法的因式分解算法因其可能带来的网络安全影响而著名。现今我们大部分的密码系统都使用 RSA（Rivest-Shamir-Adleman）算法加密，对极大整数做因数分解的难度决定了RSA 算法的可靠性。换言之，对一极大整数做因数分解愈困难，RSA 算法愈可靠。但秀尔算法展示了因数分解问题在量子计算机上可以有效率的解决，那么一个足够大的量子计算机可以破解RSA。在量子计算机运行秀尔算法还需要一段时间去发展，但现在已经可以使用该算法来分解小数字。

秀尔算法吸引人的地方在于，与所有量子计算机算法一样，秀尔算法是概率性的：它以高概率给出正确答案，通过重复该算法可以降低失败的概率。这个算法是一个有价值的项目，不仅因为它的名气，还因为借此可以对一些其他重要的量子计算主题增进一步理解，比如量子傅里叶变换和量子相位估计算法。

求氢化锂分子的基态能量

几年前，IBM Quantum团队通过模拟氢化锂分子的基态能量登上了头条新闻，这展示了量子计算机在解决相关复杂问题的巨大潜力。量子化学求解分子的基态能等性质，对药物研发等具有重大意义。希望有一天，量子计算将颠覆化学领域，让化学家在接触烧杯之前就可以预测化学反应中可能发生的情况。

量子化学中备受关注的是变分量子本征求解(Variational Quantum Eigensolver-VQE) 算法。VQE采用量子-经典混合计算架构。该算法在一个系统中，同时包含了量子计算机和经典的CPU/GPU计算部分。利用量子计算机芯片来制备相应量子态并测量，再通过经典计算机算法来分析测量结果并优化量子计算机的参数等。更普遍来讲，可以设计算法让量子计算部分与经典计算部分传递信息，合作来完成计算任务。通过这种量子-经典混合架构，可以充分发挥量子计算的优势，同时借用成熟的经典计算方案来弥补早期量子芯片的噪声、退相干等问题。

通过纠错处理噪声

量子比特与外界交互引起的噪声是现如今面临的最大挑战之一。现阶段我们还在寻找能真正能应用的噪声设备，但同时，保护通用量子计算机免受这种噪声的影响，还需要进行错误纠正。

纠错策略适用于硬件和软件两个方向。你可以使用重复编码(repetition code)的纠错技术自行尝试，它结合了多个量子位的值，以便对单个逻辑位（而不是量子逻辑位）进行编码。可能你不会在未来的算法中使用重复编码技术，但可以借此更好的了解量子程序员在尝试保护这些设备免受噪声影响时面临的各种状况。

使用Qiskit Pulse探索量子硬件领域

量子计算是一个新领域，所以程序员经常需要了解程序背后的量子硬件的工作知识。当使用Qiskit 进行编码时，你实际上是在向振荡的超导电路发送经过微调的微波脉冲。Qiskit使用一组默认脉冲来表示量子电路中的操作，但你也可以调整这些脉冲以在量子硬件上进行实验或尝试创建自己的自定义门。

工程师在对其量子设备进行编程之前的第一项步骤是校准，以确保它们发送正确的脉冲。你可以在此处的Qiskit 教科书中找到我们为校准和表征我们的硬件而进行的各种实验的，并使用这些实验更好的了解量子硬件。掌握Qiskit Pulse的窍门后，你可以尝试制作自己的定制量子门，或参加我们的IBM量子奖：开放科学奖。你也可以尝试将Qiskit连接到你自己的自制量子计算机。

使用量子机器学习算法对图像进行排序

机器学习是当今热门的研究领域之一，因此研究人员也对量子计算机是否可以在该领域发挥优势感兴趣。但是，在投资量子机器学习 (QML) 初创公司之前，你应该首先弄清量子计算机可以在机器学习方面提供哪些优势，借此分辨什么是真实的，什么是炒作的。

目前正在研究的算法之一是称为变分量子分类器（Variational Quantum Classifier-VQC)的算法。在对标记数据进行一轮训练后，它将新数据分类。VQC 是我们Qiskit Challenge India的基础，参与者努力构建一种算法，将一组手写数字分类到 4 和 9。挑战已经结束了；但是，如果你想尝试开展自己的量子机器学习项目，文档仍然可用。

提醒:现阶段量子机器学习可以提供多少帮助还不清楚。这也说明，这是一个让你动手探索未来的机会。

以上只是有关量子计算机的众多项目中的一小部分；我们在GitHub 上有一个完整的数据库，Qiskitters也在不断为推动该领域向前发展提出更多有意义的新想法。想开始吗？来Qiskit，加入我们。(https://qiskit.org/?utm_source=Medium&utm_medium=Social&utm_campaign=Tutorial)

通过 DAO，研究组织和媒体可以打破地域的限制，以社区的方式资助和生产内容。DAOrayaki将会通过DAO的形式，构建一个代表社区意志并由社区控制的功能齐全的去中心化媒体。欢迎通过文末方式提交与DAO、量子计算、星际移民、DA相关的内容，瓜分10000USDC赏金池！欢迎加入DAOrayaki社区，了解去中心化自治组织（DAO），探讨最新话题！

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