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云端量子计算机

目前，量子计算机是超昂贵的，相当大的奇妙装置，需要专家人员来运行和维护，它们通常需要大型制冷系统和其他支持服务，一般公司或个人无法获得。不过，这并不意味着你或普通人不能进行量子计算。
许多量子计算供应商长期以来一直提供对他们的量子计算机或量子模拟器的访问。一些供应商允许任何人加入并免费使用云计算机，只要基于合法的原因。其他量子云供应商要求用户填写详细的项目表格，说明为什么需要使用量子计算时间，并将被单独批准。其他时候，云服务是100%商业化的，或者具有私人会员资格。如果你有一个正当的理由来玩量子计算机，你可能会找到一个基于量子的云服务来帮助你，其中包括
www.research.ibm.com/ibm-q/
中国科学院图书馆。
https://cloud.dwavesys.com
www.rigetti.com/qcs
www.huaweicloud.com/en-us
https://us.alibabacloud.com/
许多量子计算机观察家认为，量子云计算是未来的模式，至少从中期来看是这样。那些买不起自己的量子计算机的公司和个人，可以利用量子云计算分时，只为他们所需的东西付费。

非美国量子计算机

虽然本书的前几节集中在美国和紧密盟友的量子计算机开发商，但许多国家-包括澳大利亚、奥地利、比利时、加拿大、中国、丹麦、芬兰法国，德国，意大利，日本，中东（如沙特阿拉伯，卡塔尔和阿拉伯联合酋长国），荷兰，波兰，俄罗斯，新加坡，韩国，西班牙，瑞典，瑞士和英国正在追求量子信息科学的不同水平的资金和参与。在这份国家名单中，大多数观察家认为美国和中国是两个最大的量子竞争对手。每个国家都在量子计算上投入了数百亿美元。
不一定总是一个国家对国家的竞争。许多设在一个国家的公司都参与了其他国家的一个或多个项目。例如，独立的量子应用开发公司剑桥量子计算（https://cambridgequantum.com/),虽然正式总部设在英国，但在世界各地的许多国家都参与了商业、政府和其他项目。而美国选择抗量子密码的国家计划（第6章将详细介绍）包含了许多非美国团队和跨国团队。
这并不是说，国家之间绝对不存在一种“奔向月球”的竞争。有啊。从竞争的角度来看，这是有意义的，早期的国家将能够更快地开始收获利益，也因为量子计算将打破许多国家的秘密，并保护新的秘密。

量子计算机的组成部分

无论量子计算机使用什么类型或架构，今天它们都有相当相似的相关组件，例如：
支助人员
环境控制的、安全的、超洁净的计算机机房
大量供电
冷却系统
气体储存和输送系统
接线
管道
用于监视、控制和操纵量子计算机的外部传统经典计算机
支撑回路
电磁屏蔽
量子比特量子处理器单元（QPU）物理封装
量子数据平面（包括QPU和所有其他量子组件）
控制测量区
硬件连接、远程连接和接口
用于存储结果和结果数据的经典计算机组件
联网
外部箱柜（给它一个整洁的外观）
操作系统（启动代码、控制、监视、编译器等）
软件接口
算法
应用软件
今天，在一台可工作的量子计算机中，所有直接连接到量子计算机上的组件——大多数外行人认为是“量子计算机”的部件——至少占据一平方码或更多平方码的空间。这可以与二进制计算机相比，二进制计算机可以小到火柴盒，甚至可以小到一个单芯片。与大多数计算机系统组件一样，随着时间的推移，每个量子组件和整个系统的组件可能会变得越来越小，资源密集度也会越来越低。
附注：有一个问题是，我们是否能让量子计算机缩小到非常小的尺寸（像台式计算机或笔记本电脑），并像今天的经典计算机那样，在炎热、嘈杂、严重受外部影响的环境中工作。许多量子专家认为，这是可以做到的。为什么? 首先，因为我们的大脑是根据量子力学工作的，而且它又热又湿，而且会被外部环境滥用。大自然想出了一个办法。总有一天人类也许能搞清楚。人类似乎特别能够缩小东西，一旦我们想出了建造它们的办法，就能成功。
其中两个组件，即应用软件和所谓的“堆栈”，值得额外讨论。

量子软件

要使量子计算机能够解决困难的问题，需要的不仅仅是硬件和量子比特。每一个量子设备都带有一个或多个操作系统、算法、接口和应用程序。至少，量子计算机必须具备必要的固件或控制软件，允许量子计算机创建、初始化、测量、控制、错误检查和退役量子比特。
每个量子器件必须实现一个或多个量子算法（其中一些将在下一章介绍），这些算法处理基于量子位操作和自然法则的基本层计算和数学。不是所有的量子设备都支持所有的算法，尽管通用门量子计算机应该支持所有的算法。
大多数量子计算机都有编译器、编程语言和脚本语言，允许开发人员编写自己的量子计算机程序。许多量子供应商向他们的客户提供他们自己的私有软件，要么免费（最常见的），要么收取商业费用。一些量子设备供应商已经创建或鼓励他们的客户使用开源量子软件。其他人则免费提供他们的专有量子软件，以此来引导开发人员在他们的量子计算机上学习和开发。这是一个在经典计算世界中运行得相当好的模型。

量子堆叠

许多供应商提供了一个“网络”的资源，包括教程，编程工具，模拟工具，并可访问他们的云资源。许多量子计算供应商将讨论拥有“完整的量子堆叠。” 量子堆栈是基于量子的硬件、量子位、量子软件开发工具包、API和应用程序的集合。许多供应商，包括IBM、Google、Microsoft、D-Wave、IonQ和许多其他厂商，都提供堆栈的全部或部分。下面是一些量子软件和堆栈的网站：
www.quantiki.org/wiki/list-qc-simulators
quantik i.org/wiki/list-qc模拟器
https://github.com/qosf/os_quantum_software
https://arxiv.org/abs/1812.09167
http://quantumalgorithmzoo.org/
https://qosf.org/
https://algassert.com/quirk
https://github.com/rigetti/pyquil
https://cambridgequantum.com/
https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=quantum.DevKit
https://quantumexperience.ng.bluemix.net/qx/editor

量子国家指南

大多数主要国家都有国家议程和资金参与帮助他们国家的政府实体、行业和公司推进量子计算霸权。

国家政策指导

如，在美国，国家标准与技术研究所有一个致力于量子计算课题的国家联盟(www.nist.gov/news-events/news/2018/09/nist-launches-consortium-support-development-quantum-industry),白宫发布了一份题为《量子信息科学国家战略概述》的联邦文件。(www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/09/National-Strategic-Overview-for-Quantum-Information-Science.pdf). NIST还发起了一项竞赛，以确定官方的后量子密码(https://csrc.nist.gov/Projects/Post-Quantum-Cryptography)（在第六章有详细介绍）。许多提交给NIST竞赛的密码同样是由其他国家及其政府资助的。

赠款和投资

大多数国家提供丰富的资金支持。像美国和中国这样的顶级国家，每年花费数十亿美元。即使是最小的参与国也花费数百万至数千万美元。这些资金将用于改善他们的大学、研究实验室、供应商、政府和军队的量子研究和计算机。

下面是一些例子：
www.aip.org/fyi/2019/national-quantum-initiative-signed-law
www.nextbigfuture.com/2018/10/us-mobilizing-funding-for-quantum-ai-to-match-china-in-multi-billion-race.html
www.nextbigfuture.com/2018/10/us-mobilizing-funding-for-quantum-ai-to-match-China-in-multi-Billion-race.html
www.scmp.com/news/china/economy/article/2140860/china-winning-race-us-develop-quantum-computers
www.scmp.com/news/China/economy/article/2140860/China-winning-race-us-develop-quantum-computers
https://quantumcomputingreport.com/news/
www.executivegov.com/2019/04/energy-department-announces-quantum-computing-funding-opportunity/
感兴趣的投资者可以使用量子专用交易所交易基金（ETF），将部分资本投入量子相关公司，如：https://www.defianceetfs.com/qtum.私人投资者正将数亿美元直接投入私人公司，包括这里提到的公司：www.nanalyze.com/2018/09/10-quantum-computing-startups/. 总的来说，很多私人投资都在追逐与量子计算相关的投资机会。与量子信息科学的前景一样，投资者也要小心了。许多量子行业观察家认为，只要在公司名称或招股说明书中使用“量子”一词，就能获得大量投资资金，就像在过去类似的投资热潮中，如果你在公司名称中使用比特币或加密货币。很多人在早期的比特币投资中损失了一大笔钱。在量子空间也会有赢家和输家。

计算机以外的其他量子信息科学

量子信息科学的领域不仅仅包括量子计算机。它包括许多设备和软件组件，例如
量子随机数发生器
量子联网
量子密码学
量子应用
许多公司专注于这些类型的量子设备，而不是试图在昂贵的量子计算机领域竞争。这些项目中的大多数将在以后的章节中进行更详细的讨论。
量子信息科学有望开辟一系列的应用领域，将极大地改变我们的世界。以下是一些承诺的应用程序：
更快的计算
更快的优化搜索
更好的人工智能
更好的密码学
更安全的网络
军事用途
改进天气预报
改进药品和化学品
增进对量子世界、天体物理学和我们的宇宙的理解
完全保密（使用所谓的全同态密码系统）
更好的金融建模（股票交易、衍生品交易等）
更好的欺诈检测
自动驾驶车辆的交通管理
更好、更持久、更轻的电池
量子货币
我们将在第五章中更详细地介绍其中的大部分主题。

了解更多信息

关于量子信息科学的历史和现状，互联网上有几篇很好的文章和书籍。如果你有兴趣了解更多信息，可以考虑这些网站：
https://mitpress.mit.edu/books/quantum-computing-everyone
www.irtf.org/mailman/listinfo/qirg
www.nist.gov/history-and-future-quantum-information
www.wired.com/story/wired-guide-to-quantum-computing/
https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_quantum_computing
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing
https://towardsdatascience.com/the-need-promise-and-reality-of-quantum-computing-4264ce15c6c0

总结

第二章涵盖了量子计算机，它们的类型和体系结构，组件和其他量子信息科学。我们讨论了量子计算机和传统二进制计算机之间的主要区别，并解释了每种量子计算架构方法的技术、优点和缺点。我们还涵盖了各种主要供应商及其量子信息科学的重点。第三章将讨论量子计算机将如何在几年内打破大多数传统的公钥密码体制。