使用 Amazon Braket 入门量子计算 - 量子电路的设计与模拟
用本地模拟器免费进行原型开发，并在 IonQ、Rigetti 的真机上运行量子电路。介绍用混合作业实现 VQE 和 QAOA 的方法。
Braket 概述与量子计算的现状
Amazon Braket 是量子计算的托管服务，统一提供量子电路的设计、模拟和在真机上的运行。量子计算目前处于 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代，可用的是受噪声影响的中等规模设备。已证实具有实用量子优势的应用仍然有限，但在组合优化、量子化学模拟和机器学习的一部分领域中超越经典计算机的可能性正在被研究。Braket 是能够以较低的门槛开始量子计算研究和实验的平台。
量子电路的设计与模拟
Braket SDK 基于 Python，以编程方式构建量子电路。使用 Circuit 类将门（H、CNOT、Rx、Rz 等）作用于量子比特来定义电路。本地模拟器在开发机器上运行，可以免费测试电路。托管模拟器有 3 种：SV1（状态向量，最多 34 个量子比特）用于通用模拟，DM1（密度矩阵，最多 17 个量子比特）用于包含噪声模型的模拟，TN1（张量网络，最多 50 个量子比特）用于特定电路结构下的大规模模拟。先在模拟器上确认电路正确再到真机上运行，可以控制真机的费用。
量子硬件与混合作业
通过 Braket 可以使用 AQT、IonQ、IQM、QuEra、Rigetti 等的量子硬件。各硬件的量子比特数、门保真度和连通性各不相同，因此要根据算法的特性来选择。费用按任务（电路的运行）计费，并按 shot（测量次数）按量计费。混合作业是将经典计算与量子计算相结合的功能，用于变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA）这类迭代式算法。这是一种经典处理在作业的实例（默认为 ml.m5.xlarge）上运行、量子电路的运行交给量子硬件的结构。
Braket 的费用
Braket 的费用在模拟器和硬件之间差别很大。本地模拟器免费。托管模拟器按模拟时间以分钟为单位计费，SV1 为每分钟 0.075 美元（截至 2026 年 10 月）。量子硬件是每个任务（电路的运行）的固定费用与每个 shot（测量次数）的按量费用的组合。每个任务的费用所有 QPU 都是 0.30 美元，每个 shot 的费用因 QPU 而异，IonQ Forte 为 0.08 美元（截至 2026 年 10 月）。例如，在 IonQ Forte 上运行 100 个 shot 的电路，费用为 0.30 美元 + 100 × 0.08 美元 = 8.30 美元。在研究阶段，采用分阶段的方式管理成本：用本地模拟器验证电路，用托管模拟器进行大规模验证，真机只用于最终确认。
量子计算的现状与期待
量子计算是一种有可能以不同于传统计算机的原理来求解特定类型问题的技术。但是，它仍是处于发展过程中的技术，量子设备容易受到噪声影响，能处理的规模也有限制。它并不是让所有计算都变快的魔法技术，有适合它的问题，也有不适合它的问题。比较现实的做法是，不抱过高的期待，在正确理解现有能力的基础上，把它作为面向未来的研究和验证来开展。Braket 提供了学习和尝试这类量子计算的环境。
在模拟器上学习与开发
量子真机资源宝贵且使用需要费用，因此先在模拟器上推进开发，可以控制费用。Braket 提供可在本地运行的模拟器和云上的高性能模拟器，可以在使用真机之前验证量子电路的设计和运行。模拟器的结果稳定，因此适合用来确认算法的正确性。在学习阶段，先用模拟器理解量子电路的基础，充分验证后再进入真机运行，这样的流程效率高。能够低成本反复试验的环境，打开了通往量子技术的入口。
用例与研究领域
量子计算被寄予期待的领域包括组合优化、研究分子和材料性质的量子化学模拟，以及机器学习的一部分。这些领域包含用传统方法计算量会爆炸式增长的问题，用量子方法提高效率的可能性正在被研究。但是，这些仍处于研究和验证阶段，要达到实用还需要技术的成熟。一种做法是在判断自身课题是否适合量子计算的同时，为将来积累知识。Braket 是支撑这类探索性研究的基础。
与经典计算的结合使用
与让量子计算单独求解问题相比，将其与传统计算机（经典计算机）结合使用的方式得到了更广泛的研究。人们正在探索一种混合算法：将问题的一部分交给量子处理，其余部分交给经典处理，在两者之间往返来搜索解。Braket 具备运行这类结合量子与经典的处理的机制。将经典计算稳定的处理能力与量子的特性结合起来，可以在弥补量子设备限制的同时，探索更接近实用的形式。两者的结合使用，是利用量子计算的现实做法之一。
总结
Braket 是可以在 AWS 上开始量子计算研究和实验的服务。用本地模拟器免费进行原型开发，用托管模拟器进行大规模验证，再在真机上运行，这种分阶段的方式很有效。它是一个可用于面向量子计算实用化的技术验证和算法研究的平台。
参考资料（AWS 官方）
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