使用 Amazon Braket 入门量子计算 - 量子电路的设计与模拟
在本地模拟器上免费进行原型开发，在 IonQ、Rigetti 的真实硬件上执行量子电路。介绍通过混合作业实现 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、模拟和在真实硬件上的执行。量子计算目前处于 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代，可使用数十到数百量子比特（IonQ Aria 最多 25 量子比特，Rigetti Aspen-M 最多 80 量子比特）的有噪声设备。虽然已证明实用量子优势的应用仍然有限，但在组合优化、量子化学模拟和部分机器学习领域，正在研究超越经典计算机的可能性。Braket 是一个可以低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，可编程方式构建量子电路。使用 Circuit 类将门（H、CNOT、Rx、Rz 等）应用于量子比特来定义电路。本地模拟器在开发机器上运行，可免费测试电路。托管模拟器有 3 种：SV1（状态向量，最多 34 量子比特）用于通用模拟，DM1（密度矩阵，最多 17 量子比特）用于包含噪声模型的模拟，TN1（张量网络，最多 50 量子比特）用于特定电路结构的大规模模拟。推荐先在模拟器上验证电路正确性，再在真实硬件上执行的工作流程。
量子硬件与混合作业
Braket 可访问 IonQ（离子阱）、Rigetti（超导）、OQC（超导）的量子硬件。各硬件在量子比特数、门保真度、连接性方面各不相同，需根据算法特性进行选择。费用按任务（电路执行）计费，根据 shot（测量次数）按量收费。混合作业是结合经典计算和量子计算的功能，用于变分量子本征求解器（VQE）或量子近似优化算法（QAOA）等迭代算法。经典优化器在 EC2 上运行，将量子电路的执行委托给量子硬件。 如需深入理解 Braket 的理论与实现，可参考专业书籍（Amazon）。
Braket 的费用
Braket 的费用在模拟器和硬件之间差异很大。本地模拟器免费。托管模拟器 SV1 每分钟约 0.075 美元，DM1 约 0.075 美元，TN1 约 0.275 美元。量子硬件采用每任务（电路执行）固定费用加每 shot（测量次数）按量收费的组合，IonQ Aria 每任务约 0.30 美元 + 每 shot 约 0.03 美元。在 IonQ 上执行 100 shot 的电路约为 3.30 美元。研究阶段在本地模拟器上验证电路，在托管模拟器上进行大规模验证，真实硬件仅用于最终确认的分阶段方法可有效管理成本。
总结
Braket 是可在 AWS 上轻松开始量子计算研究和实验的服务。在本地模拟器上免费进行原型开发，在托管模拟器上进行大规模验证，再在真实硬件上执行的分阶段方法非常有效。是面向量子计算实用化的技术验证和算法研究的最佳平台。