美國時間 2019 年 12 月 2 日， AWS re:Invent 的第一天，在這一天裏，AWS在量子計算領域的佈局初次展現。AWS的首席佈道師Jeff Barr在其官網的發文中寫到：從Amazon Braket開始量子計算之旅。
Amazon Braket 是一項全託管服務，允許科學家、研究人員以及開發人員以集中方式試驗來自多家量子硬件供應商的新型計算機。Braket也就是“括號”，物理學家用它來表示量子力學狀態，AWS的服務也正是得名於此。
除此之外，AWS的在量子計算領域的佈局還包括另外兩項：AWS量子計算中心和Amazon量子解決方案實驗室。
AWS量子計算中心坐落於加州理工學院隔壁，彙集了全球各地的量子計算研究人員與工程師，致力於加快量子計算硬件與軟件的開發工作。而Amazon量子解決方案實驗室則是一個全新的項目，旨在將AWS客戶與亞馬遜的量子計算專家以及精選諮詢合作伙伴聯繫起來。
佈局了十年？
AWS的首席佈道師Jeff Barr在官網發文中寫到，自己在十年前的愚人節曾經寫過一篇關於量子云計算的文章，雖然那時是笑話，但現在它變成了現實，人們可以真正去體驗量子云計算並將自己編寫的算法運行在真實的量子計算機之上。
雖然說AWS佈局量子計算長達十年的時間有點“虛”，但Jeff Barr在其文中的的三項“正式宣佈”，卻是擲地有聲。
一、Amazon Braket
Amazon Braket 旨在幫助用戶積累起關於量子比特及量子電路的實踐經驗。大家可以在模擬環境中構建並測試自己的電路，而後在實際量子計算機上進行運行驗證。Amazon Braket是一項全託管AWS服務，並在各個層面引入安全性與加密機制。
人們可以通過notebook式界面訪問Amazon Braket：
以上Python代碼用到了Amazon Braket SDK，這意味着大家可以使用一行代碼就創建出一套量子電路（根據同事們的說法，其代表着「量子比特0與量子比特1之間的最大糾纏貝爾狀態」）：
bell = Circuit().h(0).cnot(0, 1)
實際運行：
print(device.run(bell, s3_folder).result().measurement_counts())
除了由經典計算機支持的模擬環境之外，Amazon Braket還允許用戶訪問D-Wave、IonQ以及Rigetti等打造的量子計算機。這些設備的共同特點包括：都是優秀技術的實際體現、都擁有極高的製造與運行成本、都需要在相當極端的專用環境下（極低溫或者近真空）運行，而且必須保證隔離電氣、熱源以及磁場等干擾因素。綜上所述，幾乎可以肯定地說，大多數組織永遠無法擁有自己的量子計算機，使用雲端按需量子計算服務纔是最合理的實現方案。事實上，生產級別的量子計算機很可能會以純雲形式率先出現。
真正的量子計算機既是科學成就，又像是一種藝術品，就像這一組超酷的圖片：
二、AWS量子計算中心
如前所述，量子計算仍是個新興領域，其中還蘊藏着很多人們不瞭解的祕密以及人們未能突破的潛在空間。在宣佈Amazon Braket的同時，Jeff Barr 還正式宣佈了AWS正在組建的量子計算中心。
AWS量子計算中心毗鄰加州理工學院校區，匯聚世界頂尖人才以加快技術發展。Jeff Barr表示，AWS將致力於探索能夠實現量子計算機大規模生產應用的技術，同時亦在努力確定最合適在量子計算機上解決的實際應用。雖然這兩項挑戰週期漫長、前路艱辛，但Jeff Barr聲稱自己期待着未來一、兩年能夠看到初步進展。
三、Amazon量子解決方案實驗室
面對像量子計算這樣的一種新穎而有趣的技術，人們當然希望能夠儘早學習、培養自己的技能並制定關於量子計算應用的早期計劃，而Amazon量子解決方案實驗室的目的就是這樣，它計劃幫助大家利用亞馬遜以及諮詢合作伙伴掌握的知識達成學習的目標。
Jeff Barr還表示，AWS的目標，是與大家一道探索量子計算的實際用途，並幫助人們建立起屬於自己的合格量子開發人才培訓儲備。並且，AWS的量子解決方案實驗室還將提供更多研究及合作機會。
量子計算綜述
常規（經典）計算機利用比特的集合表示當前狀態。每一比特代表着0或者1，如果具有n個比特，則代表可以表達的狀態數爲2n。一個比特只能處於這兩種狀態中的一種，兩個比特則處於四種狀態中的一種，依此類推。具有 1 MiB內存的計算機具有“2的8 x 1048576次方”種狀態，還不包括CPU寄存器與外部存儲容量。這雖然是個很大的數字，但仍然屬於可以計算的有限值。
量子計算機採用更爲複雜的數據表示形式，被稱爲量子位或者量子比特。每個量子比特既可處於1或者0狀態，同時亦可處於1和0的疊加態——意味着一個量子位同時表現出這兩種狀態。我們可以使用包含一對複數的二維向量來表示這樣的狀態，因此能夠形成實際上無窮多的狀態。其中每個得數都代表一項概率，即該量子比特爲0或者爲1的機率。
在特定時間點內，經典計算機只可能處於2n種狀態中的一種，但量子計算機則可同時處於全部可能的狀態。
如果大家擁有一定的IT從業經驗，就會意識到摩爾定律已經推動我們一路發展，最終打造出具備2 TB存儲容量的超高密度U盤。這一路走來，所涉及的物理與化學制程相當驚人，而且值得研究與讚歎。但遺憾的是，這些製程工藝並不能直接應用於量子比特設備的製造。截至本文撰稿之時，最先進的量子計算機只包含約50個量子比特。目前，這類計算機主要採用數種不同的技術，但各類技術之間一般具有兩大共同點：量子比特數量有限，而且只能在受到嚴格控制的物理環境當中運行。
工作原理
量子計算機通過操縱狀態向量的幅度來工作。要對量子計算機進行編程，人們首先需要確定自己要使用多少個量子比特，而後將其接入一套量子電路，最終運行這套電路。在構建電路時，人們則需要通過設置以確保得出的答案儘可能正確，進而使其他非正確答案的出現機率儘可能低。傳統計算機在這方面採用布爾邏輯並配合非、或以及與門構建；相比之下，量子計算機則採用疊加與干涉，同時配合X、Y、Z、CNOT、Hadamard、Toffoli等奇怪的邏輯名稱。
量子計算仍是個相當年輕的領域：量子計算模型在上世紀八十年代纔剛剛被提出，不久之後人們意識到，量子計算機能夠執行經典計算機所無法實現的量子力學系統仿真。量子計算機在機器學習、線性代數、化學、密碼學、物理模擬、搜索以及優化等方面擁有經典計算機無法比擬的先天優勢。例如，Shor算法就演示了量子計算機如何高效實現任意大小整數的質因數分解。
量子計算資源
以下是與量子計算相關的參考資料。其中有些可能乍看之下令人頭暈目眩，但考慮到連我最終都能學會，相信各位也不會有問題：
- 量子計算的狂歡尚未開場 – 對量子計算領域的中立評述。
- 維基百科——量子計算 – 一份良好的摘要，包含大量鏈接與圖表。
- 量子計算機如何顛覆加密 | Shor算法解讀 – 一段超實用的視頻。如果想快速瞭解核心內容，請直接跳轉至8：03位置。
- 量子計算與量子信息 – 關於這一主題的權威（按他們的說法）教科書。
- 量子計算定論 – 從量子比特開始，由22段短視頻組成的學習課程。
- 令人好奇的量子計算 – 由上一組視頻作者撰寫的長篇文章。
- 量子計算專家解讀：用五種難度說清一個概念 – 顧名思義，向五種不同人羣解釋什麼是量子計算。
- 利用可編程超級計算處理器實現量子霸權 – 一項重要成果，一大里程碑，揭示了量子計算機在特定類型問題上確實能夠帶來遠超傳統計算機的性能表現。請務必配合Scott Aaronson撰寫的《量子霸權終極問答》（Supreme Quantum Supremacy FAQ）一文觀看。
- 50量子比特量子計算長什麼樣？ – IBM公司50量子比特計算機的精彩寫真專題。
- Shtetl-Optimized – Scott Aaronson教授長久以來撰寫的量子計算研究成果、文章與博文集合。
展望未來
目前的公鑰加密實現還相當安全，因爲對大數進行質因數分解需要耗費相當誇張的計算資源。根據密鑰的具體長度，質因數分解（也就是密鑰破解）所需要的時間從數月到永恆不等（可能超過整個宇宙的預期存在時間）。但是，當具有足夠量子比特的量子計算機面世之後，大數質因數分解將變得非常輕鬆。由於涉及邏輯、物理量子比特、噪聲率以及糾錯等衆多具體因素，本文就不對“足夠”量子比特的具體範圍進行探討了。
總而言之，在考量中長期加密與數據保護方法時，我們需要牢記量子計算可能帶來的顛覆與威脅，同時着眼於後量子時代下的新型加密技術。如今，s2n（TLS/SSL協議的實現方法）當中已經包含兩種不同的抗量子密鑰交換機制。但考慮到任何一種新型加密協議往往需要十年左右才能真正得到廣泛應用與部署，因此早點爲大型量子計算機出現後的安全場景做做打算無疑是很有必要的。
目前，量子計算還沒有成爲主流，但勝利似乎就在前方。這是一類非常強大的工具，足以解決傳統上難以解決甚至無法解決的多種特定問題。另外，Jeff Barr還表示：在未來40到50年之內，將有大量應用程序把自己的某些特定部分運行在量子計算機上，從而爲應用提供更強大的整體表現。因此，我們不妨將量子計算機視爲如今的GPU或者數學計算協處理器。它們也許不會以孤立方式使用，但卻必然成爲經典量子混合解決方案中的重要組成部分。
原文鏈接
https://amazonaws-china.com/cn/blogs/aws/amazon-braket-get-started-with-quantum-computing/