使用傳統(tǒng)的數(shù)值方法去求解具有非確定性多項(xiàng)式時(shí)間難度的NP-Hard問(wèn)題經(jīng)常失敗，而合成量子系統(tǒng)模擬具有解決此類(lèi)問(wèn)題的潛力。法國(guó)量子計(jì)算公司——Pasqal目前就在開(kāi)發(fā)專為模擬設(shè)計(jì)的量子處理單元 (QPU)，可用于解決以下幾類(lèi)問(wèn)題：電動(dòng)汽車(chē)的智能充電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)可靠性和流程創(chuàng)新。

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如今，量子處理器可以使用不同的物理體系構(gòu)建，技術(shù)路線包括光量子、離子阱、超導(dǎo)電路、量子點(diǎn)和中性原子等。但無(wú)論使用何種方式，設(shè)計(jì)人員都必須克服兩個(gè)主要障礙：1、保持對(duì)量子比特各種參數(shù)的高質(zhì)量控制，2、擴(kuò)大集成規(guī)模，以及驗(yàn)證這些復(fù)雜系統(tǒng)的輸出結(jié)果。相比于一般經(jīng)典器件或其它量子設(shè)備，中性原子器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在許多方面都是獨(dú)一無(wú)二的。例如，中性原子技術(shù)路線可以輕松實(shí)現(xiàn)更多量子比特和更高連接性的量子寄存器。

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Pasqal QPU

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量子模擬是Pasqal的QPU最有前途的應(yīng)用，其量子處理器可用于觀測(cè)特定的量子系統(tǒng)的信息。正如理查德·費(fèi)曼 (Richard Feynman)指出的那樣，可以將量子系統(tǒng)用來(lái)解決計(jì)算量子層面的問(wèn)題。因此中性原子量子處理器將有助于科學(xué)研究，在工業(yè)層面有多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：例如研究新的能量存儲(chǔ)和傳輸材料、藥物開(kāi)發(fā)的化學(xué)計(jì)算。

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Pasqal首席執(zhí)行官 Georges-Olivier Reymond表示，“Pasqal正在將技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。我們希望打造和銷(xiāo)售可靠的產(chǎn)品，有助于在許多場(chǎng)景下解決復(fù)雜的工業(yè)問(wèn)題?！?/p>

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智能充電量子解決方案

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Pasqal在能源領(lǐng)域的客戶包括法國(guó)電力公司 EDF，Pasqal正與EDF合作開(kāi)發(fā)智能移動(dòng)創(chuàng)新解決方案（見(jiàn)圖 1）。其應(yīng)用場(chǎng)景是，滿足擁有大量電動(dòng)車(chē)的城市每日的充電需求。支持充電調(diào)配并管理未來(lái)的電力需求確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言很難求解。通過(guò)量子處理器，Pasqal將成功解決這個(gè)問(wèn)題。

“我們正在構(gòu)建基于中性原子技術(shù)的量子處理器。由中性原子組成的量子比特，意味著我們正在操縱一個(gè)個(gè)地原子來(lái)存儲(chǔ)和編碼量子信息，”P(pán)asqal首席執(zhí)行官Georges-Olivier Reymond 說(shuō)。

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“Pasqal的量子寄存器突破了190多個(gè)原子，達(dá)到了前所未有的系統(tǒng)規(guī)模。大量相互作用的量子粒子將使模擬多體量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)成為可能，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前經(jīng)典方法的能力。”

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根據(jù)Pasqal的說(shuō)法，這種方法提供了許多優(yōu)勢(shì)。首先，該裝置可以在室溫下工作，不需要冷卻；其次，所有項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)上都是相同的，因?yàn)樗鼈兪亲匀唤ㄔ斓?；第三，Pasqal開(kāi)發(fā)的量子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常低，相當(dāng)于四個(gè)吹風(fēng)機(jī)工作消耗的能量；最后，Pasqal的量子比特可以通過(guò)激光進(jìn)行控制，這是一種非常強(qiáng)大的工具，幾乎可以根據(jù)任何需要進(jìn)行定制。

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Pasqal通過(guò)使用單個(gè)激光，將其分成多個(gè)激光束以控制數(shù)百個(gè)量子比特，從而具備了高度的可擴(kuò)展性。一些來(lái)自其他團(tuán)隊(duì)的研究也證明了，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)能夠控制多達(dá)200個(gè)量子比特。圖2顯示了一個(gè) 14 x 14的中性原子矩陣，對(duì)應(yīng)于196 個(gè)量子比特。

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“量子比特操控的質(zhì)量與激光束的質(zhì)量直接相關(guān)，例如在頻率穩(wěn)定性方面。我們正在使用同類(lèi)中最好的激光器以及一些穩(wěn)定性技術(shù)，以確保對(duì)量子比特的高效操控。”雷蒙德說(shuō)。

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圖MIS問(wèn)題與風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)效率

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Pasqal表示，除了模擬量子系統(tǒng)演化過(guò)程之外，Pasqal量子處理器已經(jīng)可以解決一些高計(jì)算復(fù)雜度的問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題用經(jīng)典計(jì)算機(jī)求解效率很低。經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算效率低下的Hard問(wèn)題，例如，圖的最大獨(dú)立集（MIS）問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和金融都有很多的應(yīng)用，當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模變大時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解。而Pasqal量子處理器通過(guò)一組相互作用的中性冷原子，每個(gè)原子可代表所求解的圖的一個(gè)頂點(diǎn)，可以用來(lái)解決MIS問(wèn)題。

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除了智能充電，還有其他與能源相關(guān)的問(wèn)題，例如如何模擬和優(yōu)化在不同風(fēng)況、風(fēng)力渦輪機(jī)數(shù)量和不同布局下的風(fēng)力電場(chǎng)生產(chǎn)效率？通過(guò)在量子處理器上模擬運(yùn)行，可以有效解決風(fēng)力電場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)配問(wèn)題。

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“用原子去模擬風(fēng)力電場(chǎng)，這絕對(duì)是出乎意料的。我們相信能源行業(yè)將是受量子技術(shù)影響最大的行業(yè)。”Reymond說(shuō)。

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目前，Pasqal正在組裝其第一臺(tái)200量子比特的計(jì)算機(jī)。盡管如此，Pasqal深知只有達(dá)到1000個(gè)量子比特才能提供足以實(shí)現(xiàn)工業(yè)量子優(yōu)勢(shì)的算力。因此，Pasqal的下一步是努力擴(kuò)展量子比特的數(shù)量。

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Reymond表示，“這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但Pasqal有望在2023年前交付1000 個(gè)量子比特的處理器。作為一項(xiàng)新的技術(shù)，我們正在為客戶提供交鑰匙解決方案：包括了具有全棧解決方案的硬件，以及重要的應(yīng)用程序，能滿足客戶在應(yīng)用中的需求?！?/p>

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編譯：李每

編輯：王衍