PNNL量子算法理论家和开发者Nathan Wiebe正在将数据科学和游戏黑客的想法应用到量子计算。

每个在量子计算机上工作的人都知道这种设备很容易出错。量子编程的基本单元——量子门——大约每100次操作就失败一次。而且错误率太高了。

当硬件开发人员和编程分析人员为失败率而担忧时，PNNL的Nathan Wiebe正在努力编写代码，他相信当量子计算机准备好时，这些代码可以在量子计算机上运行。作为华盛顿大学的物理学教授，Wiebe正在培训下一代的量子计算理论家和程序员。

一方面，Wiebe感叹道:“我们现在的状况和我们需要的状况之间存在着巨大的差距。”

但同样快的是，他无视质疑，解释说:“我们已经在做真正有趣的事情了。”

正是这种进取的心态使他成为量子算法开发领域的全球领导者，仅在过去的5年里，他就有12个不同的国际合作伙伴，出版了91篇关于量子算法的出版物。游戏规则适用于量子门

为量子计算机编写代码需要想象力的飞跃，这在某种程度上可能令人生畏，但Wiebe指出，任何一个15岁的《我的世界》爱好者理解它的基本原理都不会有问题。这个广受欢迎的积木视频游戏催生了一个热情的程序员社区，他们在游戏环境中创建虚拟计算机。《我的世界》的编码员们模拟了真实世界的物理环境，创造了虚拟计算器，还有其他一些成就。《我的世界》的宇宙有它自己的内部规则，其中一些不太有意义——就像量子宇宙的一些规则即使对物理学家来说也不清楚一样。

尽管玩家不明白《我的世界》中的规则为何会如此运作，但他们可以学习《我的世界》中的物理原理，并进一步了解如何利用这些知识去完成游戏创造者可能没有打算完成的任务。量子计算机程序员也面临着类似的挑战。他们面临着量子力学的奇怪规则，并试图找到创造性的方法来“侵入”这些规则来建造计算机，在某些情况下，通过使用普通计算机所缺乏的干涉和纠缠等量子效应，可以比普通计算机更快地解决问题。

“在量子计算机上，当你尝试测量量子位元时，它们会还原为普通位元。在这个过程中，它们失去了赋予量子计算能力的那些特征。“使用量子计算机，你必须比使用普通计算机更加精细。你必须在不破坏系统中编码的信息的情况下引出系统的信息。”

“我们发现了量子力学的这些奇怪规则，”他说。“但直到现在，我们才开始思考如何利用这些规则来进行计算。”就像蒸汽机一样

Wiebe喜欢用James Watt的类比，他是第一台现代蒸汽机的发明者。在18世纪晚期，人们还不清楚蒸汽机的功率限制。直到后来，法国物理学家萨迪·卡诺才发现，存在着限制热机效率的不可改变的物理定律。这一发现被称为热力学第二定律，现在被视为科学的基石。正如热引擎的效率的研究揭示了热力学第二定律,量子计算的研究有可能揭示更深的理解物理地点的限制我们的计算能力,以及它所提供的新机遇之间的合作领域。

瓦特蒸汽机。作者:Nicolas Perez, CC BY-SA 3.0

Wiebe说，量子计算不仅仅是物理学。它存在于许多领域的交叉，包括物理、计算机科学、数学、材料科学，以及越来越多的数据科学。事实上，他看到了数据科学和机器学习在量子计算中巨大的未开发的作用。

“就像瓦特和卡诺一样，我们不需要捕捉系统内部发生的所有细节，”Wiebe说。“我们所要做的就是预测输入和输出。因此，数据科学和机器学习工具可能会对量子计算机的实际工作产生很大影响。”未加工的钻石

首批有用的量子技术之一可能是量子传感器——一种使用量子信号来测量温度和磁场等东西的设备。Wiebe与一个国际团队的同事合作，将机器学习技术应用到量子传感的一个棘手问题上。

生物学家想用这些传感器来测量单个细胞内部的情况。这种传感器是由带有某些缺陷的钻石制成，可以用来发送量子信号。问题是，在室温下，量子传感器信号包含了太多的误差，难以实现。研究小组无法进行实验，除非整个系统被冷却到液氦温度(−452.2华氏度)，这显然对活细胞不利。

Wiebe和他的同事们解决了这个问题，他们在室温下进行了实验，然后应用了一种算法，该算法使用了数据分析和机器学习的技术来校正容易出错的、有噪声的信号。

他说:“我们在没有额外成本的情况下获得了与极冷低温实验相同的灵敏度。”

Wiebe说，应用同样的原理来修正有噪声、容易出错的量子门可能正是我们所需要的。他问的问题是:“我需要多少量子误差修正才能保证我的算法能够运行?”

Wiebe坚信，要使量子计算成为现实，需要许多领域的研究人员进行跨学科的努力，学会说彼此的语言。

他说:“如果我们能建造一台量子计算机，那么我们就有能力解决目前化学、材料科学和物理领域的棘手问题。”“这一挑战既带来了限制，也提供了新的机会。量子计算迫使我们对计算意味着什么有了更深的理解。”

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