量子计算技术如何高效应对复杂的机场调度难题

乍一看，量子计算机似乎只存在于遥远的未来。在某种程度上，他们是。目前，这些设备的处理能力受到它们包含的量子比特数量的限制，这些量子比特相当于你可能听说过的经典计算机的 0 或 1 比特。

最雄心勃勃的量子项目背后的工程师表示，他们可以将数百个量子比特协调在一起，但由于这些量子比特具有独特但短暂的量子特性，如叠加和纠缠，因此将它们保持在理想状态是一项艰巨的任务。所有这些加在一起意味着研究人员吹捧的量子计算机可以比经典机器更好的问题仍然没有完全实现。

科学家表示，一般来说，量子机器可以更好地解决涉及优化操作、自然模拟和搜索非结构化数据库的问题。但如果没有现实世界的应用程序，它就会显得非常抽象。

一组与 IBM 合作的研究人员一直在针对与量子电路一起工作的特定问题设计和测试特殊算法。这意味着广泛的优化任务类别变成了一个更具体的问题，比如在机场寻找最佳登机口来安排转机航班。

在照片中：量子计算机中心之旅]

以下是该问题的要求：计算机需要找到最佳登机口来分配机场的进港和转机航班，以最大限度地减少乘客的旅行时间。从这个意义上讲，往返登机口的时间、乘客数量、航班是否在登机口——这些都成为一系列复杂数学方程式中的变量。

本质上，每个量子位代表登机口或航班。因此，解决这个问题所需的量子比特数是门的数量乘以飞行的数量，DESY（德国粒子物理研究中心）的研究物理学家 Karl Jansen 解释说，他是关于算法。

为了在量子设备上执行操作，首先他们必须将所有这些信息整合到称为“哈密尔顿”的东西中，这是一种测量系统总能量的量子力学函数。在这种情况下，该系统将是机场中的连接。“如果你找到最小的能量，那么这对应于所有乘客通过机场找到最佳连接的最佳路径，”Jansen 说。“这个能量函数，这个哈密顿量，非常复杂并且呈指数级增长。在经典计算机上无法做到这一点。然而，你可以将这个哈密顿量转化为量子电路。”

IBM 最新的量子芯片打破了难以捉摸的 100 量子位障碍]

在他们的研究中，Jansen 和他的同事们只使用了大约 20 个量子比特，这并不多，也没有提供超过当今针对该问题的最佳经典算法的优势。目前，将求解时间或精度与经典计算进行比较并没有多大意义。“为此，它需要 100 或 200 个功能量子位，”他指出。“我们想知道的是，如果我让我的问题规模越来越大，所以我去一个越来越大的机场，在某个时候使用量子力学原理来解决问题是否有优势。”

重要的是要注意，控制这些机器意味着从应用数学到化学再到物理学的众多行业中最优秀的人才必须共同努力设计聪明的量子算法，或者告诉量子计算机执行什么操作以及如何执行的指令.这些算法本质上不同于经典算法。它们可能涉及更高层次的数学，如线性代数和矩阵。“系统的基本描述是不同的，”IBM Research 量子应用和软件团队高级研究经理 Jeannette Garcia 说。“也就是说，我们有叠加和纠缠以及这种干扰的概念。”

尽管仍有待证明，但许多研究人员认为，通过使用叠加，他们可以将更多信息打包到问题中，并且通过纠缠，他们可以找到更多相关性，例如某个航班是否与另一个航班和另一个登机口相关，因为他们都是国内的。

Garcia 解释说，量子计算机给出的每个答案基本上都是概率。很多工作都在制定方法，以一种创造性的方式将答案组合在一起，以在多次重复试验中得出最可能的答案。这就是干扰——增加或减少波形。纠缠部分尤其对化学和机器学习很有前途。“在机器学习数据集中，你可能拥有超级相关的数据，换句话说，它们并不是彼此独立的，”Garcia 说。“这就是纠缠。我们可以将其放入并编程到我们正在研究的内容中，作为最终节约资源和计算能力的一种方式。”

虽然 Jansen 团队的新算法今天不能真正用于提高机场效率，但它可以转化为各种其他问题。“一旦我们找到解决登机口分配问题的真正好方法，我们就会将算法和改进转移到我们正在寻找的粒子跟踪问题，无论是在 CERN 还是在 DESY，”Jansen 说。

此外，您可以将相同的公式应用于其他物流问题，例如优化城市中的公共汽车路线或交通信号灯布置。您只需要修改问题的信息以及您在系数和二进制变量中输入的数字。“对我来说，这是为登机口分配问题找到解决方案的一次很好的尝试，”Jansen 说。“现在我正在研究可以使用这个数学公式来解决其他问题的其他实例。”