欧洲研究人员为何将量子机器连接到超级计算机

芬兰研究小组 VTT 上个月宣布，它已将一台小型量子计算机连接到欧洲最强大的经典超级计算机。具体情况如下：VTT 的量子计算机是一台名为 HELMI 的 5 量子比特机器，而 LUMI 是一台泛欧洲超级计算机，在 Top500 榜单中排名第三。两台计算机都位于芬兰。将 HELMI 和 LUMI 的最佳功能结合起来提供混合服务，使研究人员能够更好地利用量子计算机独特的计算特性——而且至关重要的是，学习如何利用它们来解决未来的问题。

理论上，量子计算机可以执行某些操作，并以比传统计算机快得多的速度完成不同的任务，但它们距离发挥全部潜力还有很长的路要走。传统计算机使用二进制位（可以是零或一）来执行所有计算，而量子计算机使用的量子位可以是零、一或同时是零和一。这听起来很难理解，但当你考虑到量子位可以通过其他量子方式纠缠、旋转和操纵来携带更多信息时，事情会变得更加复杂。所有这些都表明，量子计算机不仅仅是多了一个数字的普通计算机：它们提供了一种完全不同的工作方式，有自己的优点和缺点。

从优点来看，量子计算机应该能够使目前通常涉及解决线性代数问题的极其困难的计算任务变得更容易。

一个典型的例子就是因式分解，计算机必须将一个非常长的数除以相乘后等于该数的两个数。（例如，21 的因数是 3 和 7。）对于传统计算机来说，这是一项非常耗费资源的任务，这就是为什么它是当今广泛使用的几乎所有加密算法的核心。我们所有的密码、银行交易和重要的公司机密都受到保护，因为当前的计算机在因式分解大数方面表现不佳。然而，量子计算机在理论上更擅长因式分解大数，足够强大的量子计算机可以突破保护数字生活的加密层。这就是为什么美国政府一直致力于开发抗量子加密算法。

[相关：量子计算机可能破解加密。美国政府正试图阻止这种情况。]

破解加密只是这些机器能够解决的新问题的冰山一角。量子计算机还有望模拟自然界的复杂现象、检测信用卡欺诈和发现新材料。据 VTT 称，它们可用于预测短期事件，如天气或交易模式。

缺点方面，量子计算机难以使用，需要非常受控的设置才能运行，并且必须应对“退相干”或失去量子态，从而产生奇怪的结果。它们也很罕见、昂贵，并且对于大多数任务来说，效率远低于传统计算机。

不过，很多问题可以通过将量子计算机与传统计算机结合起来来解决，就像 VTT 所做的那样。研究人员可以创建一种混合算法，让传统超级计算机 LUMI 处理它最擅长的部分，同时将任何可以从量子计算中受益的部分交给 HELMI。然后，LUMI 可以整合 HELMI 量子计算的结果，执行任何必要的额外计算，甚至将更多计算发送给 HELMI，并将完整结果返回给研究人员。

芬兰现在是世界上少数同时拥有量子计算机和超级计算机的国家之一，而 LUMI 是性能最强大的量子超级计算机。虽然量子计算机距离广泛商业化还有一段距离，但这类综合研究项目可能会加速进展。VTT 目前正在开发一台 20 量子比特的量子计算机，计划于 2024 年升级到 50 量子比特。