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早在數字計算機席捲全球之前，模擬計算機就已為人類提供服務。現在，量子物理學的本質正讓我們重新審視數字和模擬之間的區別。像Pasqal這樣的量子硬件企業正在“擁抱”這種二元性，通過開發混合數字/模擬解決方案，以加速實現工業量子優勢。
數字與模擬計算
計算機的奇妙之處在於，它可以將問題轉為答案。人類使用計算機的歷史已有數千年：早在公元前2世紀，古希臘人就已使用手動計算機（Antikythera計算機器）來預測天文位置和日食現象。
所以，是什麼讓今天的計算機與眾不同？量子計算又為什麼需要兼顧這種二元性？
首先，計算機在計算問題時需要一定的時間，整個過程包括連續型和離散型，由此出現了模擬和數字之分。當前，數字計算是主要的方法，甚至成為了計算的代名詞。數字計算佔據主導地位，有幾個原因：通用性和容錯能力等。
而在1960年之前，兩種計算方法處於同等地位。
模擬計算為人類帶來計算優勢比數字計算機更早。例如在1836年，法國數學家Gaspard-Gustave Coriolis就引入了用於求解微分方程的模擬計算機。這些計算機在19世紀和20世紀初繼續發展，並開始用於預測潮汐和拋射物軌跡。從1960年到1984年，Deltar模擬計算機（圖 1）用於設計和實施Delta Works大型基礎設施項目，該項目旨在保護荷蘭人口密集的地區免受海上威脅。
Deltar模擬計算機
用量子重新審視模擬計算
量子計算機也分為數字和模擬兩種形式：在數字量子計算中，我們通過實現離散操作序列（通常稱為量子門）來執行算法；在量子計算模擬機上，用戶可以控制少量參數，不斷向答案逼近。
經典計算之所以走向數字化，主要原因之一就是容錯性。這是因為“四捨五入”的規則可以消除小錯誤，如0.99被視為1，0.002被視為0，比特對小錯誤具有很好的魯棒性。此外，每個可能的計算都可以用數字運算來編寫，也就是說，數字計算機是通用的。
在經典計算中，模擬計算機用於解決特定任務。拋開特性來講，模擬計算機可以用作強大且節能的加速器。
此外，模擬與數字的特性在量子領域更為微妙。連續和離散在量子系統中有着千絲萬縷的聯繫，典型的如波粒二象性。量子比特是模擬對象，直到它們被測量並變成數字為止。這意味着量子計算機（即使是數字計算機），也可以保持着模擬的特性。我們相信，量子計算機應該接受這種二元性並將其作為一種資源加以利用。
數字/模擬二元性
那些具有雙重數字/模擬能力的中性原子量子處理器中，計算遵循三個主要步驟：首先，輸入信息被編碼成一個中性原子陣列；然後，信息通過調諧的激光器進行處理；再通過拍攝原子的“圖片”來讀出最終狀態，以提取計算結果。中性原子計算機可以以數字/模擬模式或這兩種模式的組合運行處理步驟，從而在近期/長期內實現量子優勢。
數字方法的主要優點是通用性。量子計算機上每一個可能進行的操作都可以表示為一個（有限的）門序列。問題是，今天的量子計算機在結果變得不可靠之前只能執行極短的序列。
這是因為單個門噪聲很大並且錯誤複雜。因此，即使是大型（多量子比特）數字量子計算機的能力也非常有限。相比之下，模擬模式的通用性稍差，但不太容易受到噪聲影響。所以如同經典計算的發展一樣，量子模擬方法有望在特定但關鍵的應用中帶來早期量子優勢。
在這裡需要強調，該方法與量子退火這種更具有限制性的模擬方法不同。
量子退火作為一種計算範式，可以解決特定類別的問題，如優化問題。雖然，從理論上來講，任何問題都可以轉換為優化問題，但量子退火更適合已經具有這種形式的任務。中性原子量子計算機的模擬計算可以執行的任務則遠不止這些：除了優化任務之外，包括化學、物理和材料工程等。此外，還可以結合數字門（數字模擬方法）。
模擬量子優勢
中性原子量子計算機的模擬模式體現了理查德·費曼利用合成量子系統模擬自然的夢想。現在，在模擬物理系統方面，中性原子量子計算機已經超越了經典模擬計算：它們已被用於模擬二維材料中的反鐵磁性，以及用於為兩個標誌性的量子磁性模型實現可編程模擬器。
這些成就是建立在中性原子量子處理器的可擴展性和模擬模式的容錯性優勢之上：在模擬模式下可有效操作數百個量子比特、實現多種模擬操作。
全球有幾家中性原子量子硬件製造商，如Pasqal、QuEra Computing、ColdQuanta和Atom Computing，它們正在採取措施為工業應用帶來量子優勢，包括正在研究模擬方法的 Pasqal、研究門方法的Atom等。
其中一個非常有前途的方向是求解微分方程。為了推進該計劃，Pasqal引入了與近期量子硬件兼容的強大微分方程求解器，並在範式工程問題（如建模結構完整性）中對其進行了測試。
有趣的是，當以混合數字/模擬模式執行時，求解器的性能得到了提升。當單量子比特門用於調整和引導輸出解決方案時，多量子比特被操控以實現“糾纏”的力量。
在數字模式下，這些糾纏操作被分解成大量的雙量子比特門。然而，在模擬環境中，原子之間的自然相互作用力可以在短時間內將它們有效地糾纏在一起，並降低誤差，整個系統有效地朝着期望的結果發展。
微分方程在大量行業中扮演着至關重要的應用角色。因此，量子優勢在這一領域的影響巨大。
中性原子量子計算機正在依託模擬模式來實現量子增強型機器學習技術。到目前為止，他們的重點放在了與圖相關的問題，例如量子計算公司QuEra發布了有希望解決最大獨立集問題的結果，該問題在電信、金融和物流等行業中有着廣泛的應用。
Pasqal則展示了如何使用量子進化核方法（Quantum evolution kernel，QEK）中的模擬量子方法解決圖分類問題，該方法被證明在準確性和計算成本方面優於經典核方法。Pasqal還提出了QEK在化合物毒性篩選中的首次應用，他們正在研究用於確定最佳化學反應途徑的應用。
今天，Pasqal可以在模擬模式下使用數百個量子比特來實現糾纏和操作，並利用這種能力來解決多個令人興奮的問題。
越來越多的量子硬件製造商正在擁抱量子計算機的模擬/數字雙重特性，以史為鑒，Pasqal相信模擬量子計算機正帶來量子優勢。
原文鏈接：
https://thequantuminsider.com/2022/06/28/why-analog-neutral-atoms-quantum-computing-is-a-promising-direction-for-early-quantum-advantage/
文：Loïc Henriet（CTO, Pasqal）
編譯：李每
編輯：慕一
註：本文編譯自“thequantuminsider”，不代表量子前哨觀點。
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