人工智能在量子計算中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
人工智能(AI)已成為推動量子計算(QC)在硬件和軟件各層面發(fā)展的有力工具。本文探討AI技術(shù)如何在器件設(shè)計到糾錯等多個方面革新量子計算[1]。
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人工智能與量子計算的結(jié)合
: G  p" m, X) K1 O7 m% N* \. e人工智能和量子計算的交叉融合代表著兩種變革性技術(shù)的戰(zhàn)略性結(jié)合。人工智能在識別高維空間中的模式以及從復(fù)雜數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)的能力，使其特別適合解決量子計算面臨的挑戰(zhàn)。量子力學(xué)系統(tǒng)固有的非線性復(fù)雜性與人工智能處理復(fù)雜多面問題的能力自然契合。
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7 ], C: X/ Q! y: f: U8 t圖1：展示了AI在量子計算各層面的應(yīng)用，包括硬件開發(fā)、預(yù)處理、器件控制、糾錯和后處理階段。

人工智能在硬件開發(fā)和控制中的應(yīng)用
/ \8 P& ?9 R" n人工智能在量子計算中最直接的應(yīng)用之一是量子硬件的開發(fā)和控制。機器學(xué)習(xí)技術(shù)被用于表征量子器件、優(yōu)化性能，以及自動化傳統(tǒng)上需要專家大量手動干預(yù)的復(fù)雜調(diào)諧程序。

& t/ e& F5 c, y& r2 R圖2：量子系統(tǒng)機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練過程的示意圖，展示了如何利用控制信號和測量結(jié)果優(yōu)化器件性能。

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圖3：展示了不同量子計算平臺(包括半導(dǎo)體芯片、超導(dǎo)芯片、離子阱和氮空位中心)需要的特定調(diào)諧和控制協(xié)議，這些協(xié)議可通過機器學(xué)習(xí)方法實現(xiàn)自動化。
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: \! v- P# t9 c& U1 |量子器件表征和控制的自動化對擴展量子系統(tǒng)具有重要意義�；�于人工智能的方法可以：

優(yōu)化量子門的控制脈沖序列

自動化器件校準(zhǔn)程序

實時適應(yīng)環(huán)境波動

減少系統(tǒng)初始化和測量所需時間
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" t+ ?5 c( I( N( o2 _人工智能在量子糾錯中的應(yīng)用
糾錯是構(gòu)建實用量子計算機的主要挑戰(zhàn)之一。通過改進(jìn)解碼算法和錯誤緩解策略，人工智能正在這一領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。
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圖4：用于解碼量子表面碼的轉(zhuǎn)換器模型架構(gòu)，展示了在較小碼距上訓(xùn)練的模型如何通過轉(zhuǎn)換器的可變輸入長度能力轉(zhuǎn)移到較大碼距。
1 z- n5 d+ q, ~3 l0 w
! `5 o& z7 h1 k5 _0 \+ Y量子糾錯的實現(xiàn)包含幾個人工智能可提供優(yōu)勢的關(guān)鍵組成部分：

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表面碼解碼器

實時錯誤檢測和糾正

自適應(yīng)錯誤緩解策略

糾錯協(xié)議優(yōu)化

人工智能在開發(fā)平臺和基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用
4 F) U" l* p! t8 k0 p人工智能和量子計算的成功集成需要能夠支持這兩種技術(shù)的穩(wěn)健開發(fā)平臺�，F(xiàn)代量子計算基礎(chǔ)設(shè)施必須能夠適應(yīng)同時利用經(jīng)典和量子資源的混合工作流程。
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圖5：展示了同時包含量子計算和人工智能資源的開發(fā)平臺，顯示了量子計算庫、人工智能庫以及經(jīng)典和量子硬件之間的低延遲連接的集成。
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支持人工智能的量子計算平臺的關(guān)鍵組件包括：
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用于人工智能模型訓(xùn)練的高性能計算資源

經(jīng)典和量子硬件之間的低延遲連接

專門用于量子-經(jīng)典混合算法的軟件庫

人工智能輔助開發(fā)工具

高質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的獲取
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/ @4 h1 M3 p. I. _0 m! S實際應(yīng)用和未來發(fā)展方向
: [  w0 W% d  t% F' h4 c人工智能和量子計算的結(jié)合正在多個領(lǐng)域開創(chuàng)解決復(fù)雜問題的新方法：

% E' `% r0 E. D( G! L! {4 s, t1. 器件優(yōu)化：
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量子器件自動調(diào)諧

實時性能優(yōu)化

自適應(yīng)控制策略

系統(tǒng)表征和校準(zhǔn)

4 H+ k# a+ |9 ^+ B8 F8 \- x2. 算法開發(fā)：
6 y5 l; t& S- H: w

線路優(yōu)化和編譯

變分算法的參數(shù)優(yōu)化

新型量子算法發(fā)現(xiàn)

混合量子-經(jīng)典算法
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2 ]* f* f7 h* I3. 錯誤管理：

增強錯誤檢測和糾正

噪聲表征和緩解

自適應(yīng)錯誤抑制

提高測量精度

人工智能在量子計算應(yīng)用的未來發(fā)展可能集中在以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：
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1. 可擴展性：

開發(fā)可隨量子比特數(shù)量增加而擴展的人工智能技術(shù)

創(chuàng)建處理更大量子系統(tǒng)的高效方法

實現(xiàn)量子控制的分布式人工智能算法

2. 集成：
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改進(jìn)人工智能和量子計算平臺的無縫集成

開發(fā)人工智能-量子交互的標(biāo)準(zhǔn)化接口

創(chuàng)建統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境

( j- D8 {" a( `# }# o3. 新應(yīng)用：
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使用人工智能發(fā)現(xiàn)新型量子算法

將人工智能應(yīng)用于量子化學(xué)和材料科學(xué)

開發(fā)人工智能增強的量子傳感應(yīng)用

+ E# H  C% R6 j0 d/ g0 B5 S1 x/ Q結(jié)論
人工智能技術(shù)與量子計算的集成代表著一種強大的協(xié)同效應(yīng)，正在加速量子計算各個層面的進(jìn)展。從硬件開發(fā)和控制到糾錯和算法發(fā)現(xiàn)，人工智能正在幫助解決構(gòu)建實用量子計算機面臨的許多關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
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4 v7 Z: U8 [* E$ s! e! d! ]隨著人工智能和量子計算的不斷發(fā)展，兩者的交叉領(lǐng)域?qū)�產(chǎn)生更強大的工具和技術(shù)。開發(fā)專門用于量子應(yīng)用的人工智能模型，結(jié)合改進(jìn)的量子硬件和控制系統(tǒng)，對實現(xiàn)量子計算的全部潛力非常重要。
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這種集成的成功取決于基礎(chǔ)技術(shù)和支持其組合所需基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)發(fā)展。這包括經(jīng)典計算硬件的進(jìn)步、專用軟件工具，以及能夠利用人工智能和量子系統(tǒng)優(yōu)勢的新型算法方法。

& [& _0 y9 e5 b4 {; Q" Y3 V2 P參考文獻(xiàn)
3 g# J2 R- Y1 z( D4 s[1] Y. Alexeev et al., "Artificial Intelligence for Quantum Computing," arXiv:2411.09131v1 [quant-ph], Nov. 2024.
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