FPGA量子类比机制-FPQA，将在量子运算设计中引发一场新的革命

1980年代现场可程式化逻辑门阵列(FPGA)的出现彻底改变了电子设计。大约40年后，现场可程式化量子位元阵列(FPQA)可望在量子运算电路设计中引发一场类似的革命。

1980年代现场可程式化逻辑闸阵列(FPGA)的出现彻底改变了电子设计。FPGA允许设计人员创建适合特定应用的定制逻辑电路，并在投入昂贵的ASIC开发之前，快速原型化和测试新设计。

大约40年后，现场可程式化量子位元阵列(field-programmable qubit array，FPQA)可望在量子运算电路设计中引发一场类似的革命。

FPQA可以协助量子演算法设计师根据自己的需求调整量子处理器的布局，最佳化量子位元连接，以实现给定问题的最佳性能。为了匹配演算法，FPQA允许使用者动态创建量子处理器。

为什么需要FPQA？

被称为叠加(superposition)、纠缠(entanglement)和干涉(interference)的量子现象是量子电脑强大功能的关键。

为了利用这些现象，量子位元需要透过量子闸(如量子CNOT双量子位元闸)或透过利用依赖于量子位元之间距离的其他类型交互(如Rydberg interactions)发生相互作用。

通常，量子电脑设计者将「连接性」(connectivity)作为描述哪些量子位元可以与其它量子位元相互作用的一种方式。

量子位元数和量子闸数等关键量子资源非常稀缺。正是由于这种稀缺性，必须最佳化这些有限资源在运算过程中的部署方式。

在许多静态设计中，如果彼此相距较远的量子位元需要相互作用，则解决方案是执行一系列「量子位元交换」(qubit swaps)，使目标量子位元中携带的资讯靠得更近。

但这些量子位元交换既会占用量子资源，又会导入新的错误源。动态改变量子位元位置的能力，可灵活地将问题映射为量子位元的物理排列，它可以帮助设计师借助量子位元的几何排列来更有效地进行编码，从而用更少的资源来解决问题。

什么是FPQA？

为了匹配演算法的要求，FPQA允许使用者动态创建量子处理器。设计师可以根据使用者指定的量子位元相对于彼此的几何位置，对量子位元连接进行程式设计。这一概念源于包括哈佛大学在内的几个学术实验室，那里的研究人员已经成功演示了基于中性原子量子技术且具有类比和数位功能的FPQA。

FPQA如何工作？

FPQA是采用中性原子量子电脑中使用的独特控制机制实现。中性原子量子电脑的处理器布局则是用聚焦雷射光束(有时称为光镊)捕获中性原子(如铷87)来实现。

透过改变每个雷射指向的位置，用户可以重新排列空间中的原子，这样就实现了量子位元连接的可程式设计性。

现在，原子的几何布置可以在每次运算开始时得到更新。未来透过在运算过程中移动原子(例如最近演示过的配置)，将有可能实现具有资讯汇流排的动态体系结构。

这一发展将是最佳化控制信号与量子位元数量比值的关键，并使量子位元之间的任意连接超出几何约束。

FPQA如何能更有效地解决一系列问题

FPQA透过减少量子位元和闸开销来提高量子演算法的资源效率。由于能够快速更新量子位元布局和连接，因此能透过为每次运算提供定制化运算的方式，对演算法进行快速测试、基准测试和最佳化。

最佳化

最佳化是如何用FPQA实现更高量子运算性能的一个例子。许多最佳化问题可以用图的形式进行数学描述，各节点用于描述最佳化问题中的变数，各边缘可以表示它们之间的各种关系。

例如，各节点可以描述众多5G塔的潜在位置，而各边缘描述在不产生干扰的条件下不能同时工作的塔对。在另一个更抽象的描述中，把每个节点想象成一档股票，两个节点之间的边缘表示这些股票是相关的。

透过将每个节点分配给一个量子位元并设置连接，这些图形可以映射到类比FPQA上，从而使两个量子位元在对应的原子具有一条边时可以发生互动，这样就能有效地找到一个量子位元数与问题中变数一样多的解决方案。

用FPQA实现量子最佳化的其他有前途的领域包括机器人、布线最佳化和蛋白质设计(protein design)。在所有这些例子中，这些问题的几何架构及其约束都使得他们对典型的电脑构成挑战性。

量子模拟

FPQA的另一个重要用例是量子模拟，其中量子电脑可以用于深入了解重要量子力学系统(比如新材料)中的复杂现象。只有透过探索原子之间的相互作用，才能理解材料的某些物理现象。

为了观察这些现象，就需要模拟这种模式，而利用FPQA对量子位元进行适当的排列就可以实现这一点。类似的应用也可以在材料科学和高能物理学中找到。

动态效能最佳化

FPQA不仅能为每个应用程式创建一台客制化电脑，甚至可以在运算过程中的每一步启动之前对电脑进行更新。这为自动化处理器更新打开了大门，可进一步提高处理效能。

它还可以最佳化动态问题，例如，人们可以动态地解决自主机器人即时变化的路径问题，这在导致事故的条件发生变化时能够及时更新量子位元的位置，即便是需要采用根本不属于最初预定的路径时也应如此。

在不打算将量子处理器(量子电脑的核心)用作通用处理器，而是针对特定问题进行了最佳化的情况下，FPQA允许在确定处理器最终布局之前的设计过程中不断进行试验。

FPQA掌握着更有效地利用量子资源的关键，从而加快了通往实用量子电脑的道路。

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