Wenn Quanten und Klassik zusammen spielen

Angry Birds auf einem Quantencomputer zu spielen? wahrscheinlich eine schlechte Idee. Aber die Einbettung klassischer Logik in einen Quantenschaltkreis ist ein entscheidender Schritt hin zu nützlichen Quantenalgorithmen. Lassen Sie uns tiefer eintauchen.

Wäre es hypothetisch gesehen möglich, ein Zoom-Gespräch mit einem Quantencomputer zu führen?

Theoretisch: JA. Da klassische Logik durch Quantenlogik implementiert werden kann (d.h. NAND-Gatter könnten in Toffoli-Gatter übersetzt werden), könnte jedes klassische Programm auf einem Quantencomputer ausgeführt werden

Praktisch gesehen ist das eine schlechte Idee. In den meisten Fällen sind klassische Computer bei der Verarbeitung klassischer Logik viel effizienter als Quantencomputer. Daher wird die Ausführung von Zoom auf einem Quantencomputer zu einer enttäuschenden Benutzererfahrung führen. Quantencomputer sind im Vorteil, wenn es einen algorithmischen Quanten-Speedup gibt. Dies sind sehr wichtige, aber derzeit seltene Fälle.

Aber hier wird es interessant: Manchmal ist die Einbettung klassischer Logik in einen Quantenalgorithmus ein notwendiger Schritt auf dem Weg zu einem nützlichen Quantenschaltkreis, der einen echten Vorteil bringen könnte.

Die klassische Logik ist fester Bestandteil einiger der nützlichsten Quantenalgorithmen, wie z. B. die Erstellung komplexer Orakel bei der Grover-Suche, die Einbettung klassischer Weisheit in einen VQE-Ansatz oder der Vergleich von Vermögenspreisen mit einem Referenzwert bei der Berechnung von Optionspreisen mit Hilfe des Amplitudenschätzungsalgorithmus.

Mit der Zeit wird sich die Entwicklung von Quantenalgorithmen beschleunigen, und die in einen Quantenschaltkreis eingebettete klassische Logik wird eine entscheidende Rolle spielen. Es besteht jedoch die Gefahr, dass eine solche eingebettete Logik auch zu einem erheblichen Engpass wird.

Lassen Sie uns dies näher untersuchen. Stellen Sie sich vor, Sie entwerfen eine klassische Schaltung, die eine einfache logische Funktion auf Gatterebene ausführt, ohne eine Abstraktionssprache wie VHDL zu verwenden. Wenn Sie Erfolg haben, könnte es so aussehen -

Wenn Sie jedoch eine Hochsprache verwenden, wird der Aufwand viel überschaubarer, z. B:

Wenn es schon schwierig ist, eine solche klassische Schaltung ohne Abstraktionssprache zu entwerfen, so ist es praktisch unmöglich, ohne Abstraktionssprache eine Quantenschaltung zu entwerfen, die dieselbe klassische Logik anwendet. Hier ist zum Beispiel eine echte Quantenschaltung, die die einfache Operation a² - b² auf zwei kleinen Quantenregistern implementiert:

Eine solche Schaltung wäre auf Gatterebene fast unmöglich zu entwerfen. Wie habe ich es gemacht? Die Schaltung wurde aus einem High-Level-Modell mit der Classiq-Plattform synthetisiert, und der Code ist unten zu sehen.

Ohne automatische Synthese hätte ich ihn nicht entwerfen können, und mit klassischer Logik könnte ich definitiv keine komplexeren, groß angelegten Quantenschaltungen entwerfen. Außerdem wäre diese Schaltung nur ein Teil einer größeren, komplexeren Schaltung, die andere Funktionen erfüllt. Eine Plattform wie Classiq ermöglicht nicht nur den Entwurf bisher unmöglicher Schaltungen, sondern optimiert sie auch im Hinblick auf die zusätzlichen Funktionen, die der Entwickler implementieren möchte.

Hybride Quanten-/Klassik-Schaltungen sind auf dem Vormarsch. Die Verfügbarkeit solcher Synthesewerkzeuge, die die Implementierung der gewünschten Logik ermöglichen, ist ein wichtiger und entscheidender Schritt, um mit Sicherheit sagen zu können, dass wir für die Quantenzukunft gerüstet sind.

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