没有量子芯片，是否更能够获得量子优势？一家瑞士初创公司Terra Quantum表示，这不仅是可能的，而且是其商业模式的核心部分，即在经典高性能计算资源上，使用智能软件和工作流模拟量子位。Terra Quantum的战略不仅仅是在应用中使用模拟量子位，它还有更多的东西，例如，它正在研究超导硬件量子位技术，它的伙伴公司QMware看起来有点像AWS Braket，提供对本土模拟器和第三方量子处理器（QPU）的访问。
Markus Pflitsch是Terra Quantum和QMware的创始人和首席执行官，乍一看，这种安排似乎令人困惑。QMware由Terra Quantum和传统HPC资源供应商Navarion Systems共同拥有。
Terra Quantum成立于2019年，是一家量子即服务公司，业务由算法、计算和安全三个业务部门组成，拥有包括130多名量子物理学家在内的150多人团队。该公司提供涵盖软件和硬件的全栈服务。在硬件方面，致力于一种基于超导量子位的新型QPU技术。这是一种新颖的方法，作为一家与硬件无关的软件公司，Terra Quantum非常擅长为优化、模拟和机器学习主题开发算法，并在其可以访问的任何可用的量子设备上进行测试，无论它是原生QPU还是模拟器。
Pflitsch说，今天嘈杂的中间尺度量子(NISQ)系统的缺点促使QMware公司在2020年创立。“今天的量子硬件并不能真正解决有意义的问题，对吗？NISQ设备有太多错误。那么我们应该如何克服NISQ的瓶颈来部署我们的量子软件呢？解决方案是在高性能计算机上使用模拟量子位。我们实际上成立了一家合资企业QMware来做这件事，”他说。“这是一种云产品，我们提供模拟量子位，但也可以通过网络集成或物理集成访问其他量子设备。”
在众多拥挤的量子拼图中，一个正在形成的共识是，最终的“量子产品”可能是一个混合系统，其中部分应用程序在经典系统上执行，部分应用程序在量子设备上加速。
在量子的发展中，一个重要的中间步骤是开发模拟量子设备功能(叠加和纠缠)的量子模拟器(硬件和软件)。例如，IBM、Atos和AWS都有量子位模拟器产品。虽然这些模拟器通常被认为是准备使用真正的量子硬件的开发工具，但Terra和QMware公司认为，其量子模拟器不仅是最好的，而且也已被客户用来提供量子优势。
为了巩固其地位，该公司最近发布了一项研究论文《使用量子和混合算法对模拟和物理量子处理单元进行基准测试》（Benchmarking simulated and physical quantum processing units using quantum and hybrid algorithms）。该研究比较了QMware和AWS模拟器的性能，以及与来自IonQ、Oxford Quantum Circuits、Rigetti和IBM的qpu的性能。
论文指出，强大的硬件服务和软件库是快速、经济地设计、测试和执行量子算法的重要工具。这些平台的性能如何随着量子位的数量而扩展，是解决具有挑战性的行业问题的关键。由于物理量子处理单元的可用性和价格，这样的评估是困难的。这项工作对专用高性能模拟和物理量子处理单元的代表性样本的运行时间和准确性进行了基准测试。
结果显示，与少于27个量子位的算法相比，QMware云计算服务可以将执行量子电路的运行时间减少78%。AWS SV1模拟器为更大的电路提供了运行时间优势，SV1最多可提供34个量子位。超过这个限制，QMware提供了执行40量子位的电路能力。物理量子设备，如Rigetti的Aspen-M2，可以为超过30的电路提供指数级的运行时间优势。然而，物理量子处理单元的高财务成本对实际应用构成了严重的障碍。而且，在测试的四个量子器件中，只有IonQ的Harmony达到了四个以上量子位的高保真度。”
毫不奇怪，这些结果展示了Terra/QMware的表现——毕竟，它正在将其产品与竞争对手进行对比。Pflitsch说，“我认为这是一种整体的、全面的基准测试，将来应该由第三方审核，但我们认为这些信息很重要。它在混合经典-量子平台方面为行业提供了一些指导。”
这项研究的目标是研究如何通过利用混合量子经典方法来提高量子神经网络的预测精度和训练时间。基准测试发现，模拟量子处理器和经典高性能计算机的结合提供了性能最佳、最具成本效益和最强大的方法。
Terra Quantum公司表示，智能HPC架构利用了多线程、大量内存和新颖的内存访问技术，以及专有软件，使Terra/QMware能够构建有效的模拟量子位，而不需要量子设备。该公司认为，在其混合平台上运行模拟量子位的量子应用程序优于常见的经典方法，也优于今天的低量子位计数量子处理器。
该基准测试表明，使用QMware basiq模拟器处理2到26个量子位的电路，使用AWS SV1处理28到34个量子位，使用QMware basiq处理36到40个量子位具有优势。此外，来自四家不同供应商(IonQ、Ox- ford Quantum Circuits (OQC)、IBM和Rigetti)的qpu在运行时间、精度和成本方面进行了基准测试。结果显示，对于30个或更多量子位的电路，QPUs在实际应用中可能会变得具有时间竞争力。然而，目前这些系统中的许多所达到的低保真度排除了它们在工业问题中的应用。
将Terra/QMware当前的混合量子经典计算设想为在HPC硬件上运行混合应用程序，其中应用程序的一部分像通常在HPC系统上一样运行，而应用程序的其他部分在模拟量子位上运行，也在经典硬件上运行。HPC是两者的下层引擎，每个项目的结果都集成到最终的解决方案中。据该公司称，Terra/QMware目前的模拟器可以处理40个量子位。
值得注意的是，Terra的首席产品官Florian Neukart表示，这些不是在经典系统上运行的量子算法。“当然，量子算法也可能带来一些优势。但这不是我们所说的混合算法。受量子启发的算法从量子计算或量子物理学中获得一些范式，比如叠加原理，并将其纳入经典算法，例如模拟退火（annealing），并尝试进行并行回火（tempering），”Nuekart说。
“我们的算法是彻底的混合量子算法。尽管QPU是模拟出来的，但它好像是一个真实的量子位，这就是为什么需要大量的硬件，高达12tb的RAM来模拟40个量子位。这是一个真正的量子系统，它能够做40量子位量子芯片能够做的一切事情，相当于一个纠错的40量子位量子芯片。这就是不同之处，”Nuekart说。“从40量子位跳到41量子位非常困难。我们有一个路线图，甚至多达42个，但因为你需要指数级的更多计算能力来模拟所有的量子效应，这很难做到。”
Pflitsch认为，利用模拟量子位的混合平台正在向客户提供量子优势。一个重要的战略信息是，混合量子计算可以释放当今量子计算的一些潜力。
目前，整个QMware平台与其他基于混合云的方法大致相似，但集成程度更高。要么你把问题的一部分提交给经典硬件，要么提交给量子硬件，但你永远受限于这两者中的一个能做什么。在这个意义上，Terra Quantum用最简单的方式定义为web服务集成。
“这意味着，我们采用高性能计算节点，针对我们希望集成的任何量子芯片开发特定的硬件接口，然后将量子芯片以软件形式集成到我们的操作系统中。因此，QMware实际上带有硬件和操作系统，Terra Quantum在上面提供软件。但它的集成部分、硬件接口和操作系统与其他人所做的非常不同。你可以说，位于顶层的软件将底层的硬件视为一大块计算能力，”Neukart说。
“随着量子芯片变得更加强大，我们用一个量子芯片切换模拟器，用其他量子芯片切换量子芯片。上面的软件不需要接触，它变得更强大是因为底层的硬件变得更强大。它允许我们轻松地并行化。例如，我们如何为机器学习高效地并行化量子处理单元，这是集成到我们这里的产品中的东西。”Neukart说，这些集成是高级集成，目前正在进行中，还没有公开。
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