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Azure Quantum 资源估算器简介

本文介绍 Azure Quantum 资源估算器，这是一个功能强大的 开源 工具，可用于估算在量子计算机上运行量子程序所需的资源。

什么是 Azure Quantum 资源估算器？

Azure Quantum 资源估算器是一种 开源 工具，可用于估算在容错量子计算机上执行给定量子算法所需的资源。

提示

Azure Quantum 资源估算器 是免费的 ，不需要 Azure 帐户。

资源估算器提供物理和逻辑量子比特、运行时的总数，以及用于每个估算值的公式和值的详细信息。 这意味着算法开发成为焦点，目标是优化性能和降低成本。 使用 Azure Quantum 资源估算器，可以比较量子比特技术、量子纠错方案和其他硬件特征，以了解它们如何影响运行量子程序所需的资源。

可以从已知的预定义量子比特参数设置和量子纠错 (QEC) 方案开始，也可以跨各种计算机特征（例如操作错误率、操作速度、纠错方案和阈值）配置唯一设置。

为什么资源估算在量子计算的开发中很重要？

尽管量子计算机承诺解决重要的科学和商业问题，但实现商业可行性需要大规模、容错的量子计算机，这些计算机在叠加中具有大量量子比特，物理误差率低于特定阈值。 商业和科学可行性还需要 QEC 方案来实现容错。 QEC 占用大量时间和空间，需要增加算法或逻辑级操作的执行时间，还需要额外的物理量子比特来存储和计算信息。

使用资源估算器，可以了解体系结构设计选择和量子纠错方案的影响。 资源估算器将帮助你了解运行应用程序需要多少个量子比特、运行需要多长时间，以及哪些量子比特技术更适合解决特定问题。 了解这些要求后，便可以准备和优化量子解决方案，以便在未来的缩放量子计算机上运行。

哪些功能使资源估算器独一无二？

资源估算器是一个功能强大的工具，涉及所有级别的量子计算堆栈。 量子计算堆栈可分为三个级别：应用程序级别、量子编程或编译级别以及硬件或建模级别。

资源估算器允许你自定义每个级别的参数，并分析它们如何影响运行量子程序所需的整体资源。

自定义

可以调整资源估算器并指定量子系统的特征。 可以使用预定义 target 的参数，也可以根据需要对其进行自定义。 有关详细信息，请参阅 根据计算机特征自定义资源估计。

目标参数	描述系统
物理量子比特模型	例如，指定指令集、量子比特测量时间、错误率或门时间。
量子纠错方案	例如，指定每个逻辑量子比特的物理量子比特数、逻辑周期时间或纠错阈值。
错误预算	例如，指定误差预算以实现逻辑量子比特、T 状态提取和旋转门的合成。
蒸馏装置	例如，指定蒸馏过程所需的 T 状态数、作为提炼过程输出产生的 T 状态数，或蒸馏过程失败的概率。
约束	例如，指定最大物理量子比特数、最大运行时数或 最大 T 工厂副本数。

灵活性

可以将自己的代码和编译工具引入资源估算器。 资源估算器支持翻译为 QIR 的任何语言，例如 Q# 和 Qiskit。 请参阅 运行资源估算器的不同方法。

批处理多个估算值

通过资源估算器，可以估计为不同的参数配置target运行相同量子算法所需的资源，并比较结果。 通过这种方式，可以了解量子比特体系结构、QEC 方案和其余 target 参数对整体资源的影响。

Optimization

可以通过在总成本中加入一些估算值来减少资源估算器的执行时间。 例如，如果使用的是大型程序，则可以计算和 缓存子例程的成本，或者如果你已经 知道某个操作的估计值 ，则可以将它们传递给资源估算器。

资源的可视化效果

可以使用 时空图可视化物理量子比特数与算法运行时之间的权衡，以便找到 {number of qubits， runtime} 对的最佳组合。

还可以使用空间图检查用于算法的物理量子比特和 T 工厂的分布。

资源估算器入门

资源估算器是 Azure Quantum 开发工具包 (新式 QDK) 的一部分。 若要开始，请参阅 运行第一个资源估算。

下表显示了不同的用户方案，以及从资源估算器开始的建议文章。

用户方案	您希望
我正在开发 QEC 代码	可以使用资源估算器自定义 QEC 代码并比较参数的不同组合。 请参阅 如何自定义 QEC 方案。
我正在开发量子算法	通过分析硬件和软件配置文件的不同配置对资源要求的影响，可以深入了解量子算法在不同硬件和错误条件下的性能。 此信息可帮助你针对特定量子硬件或错误率优化算法。 请参阅运行多个参数配置target。
我想提高量子程序的性能	若要了解如何利用资源估算器的强大功能，请参阅运行大型程序和使用已知估算。
我对大规模量子计算感兴趣	可以使用资源估算器来分析预期由大规模容错量子计算机解决的实际问题的资源。 请参阅 大规模量子计算的资源估算中的操作方法。
我正在开发量子安全加密	可以使用资源估算器来比较不同加密算法的性能、密钥强度、量子比特类型和错误率，以及它们对量子攻击的复原能力。 请参阅 资源估算和加密。

注意

如果在使用资源估算器时遇到任何问题，检查故障排除页。

大规模量子计算的资源估算

如果要为大型量子计算机开发量子算法，检查估计量子化学问题的资源教程。

本教程是将量子解决方案的资源估计集成到电子结构问题的第一步。 缩放量子计算机最重要的应用之一是解决量子化学问题。 复杂的量子机械系统的模拟有可能在碳捕获、粮食不安全以及设计更好的燃料和材料等领域取得突破。

例如，本教程中使用的哈密顿人之一 nitrogenase_54orbital描述了氮酶。 如果你能够准确地模拟这种酶在量子水平上的工作原理，它可以帮助我们了解如何大规模生产它。 你可以取代高度能源密集型的过程，用于生产足够的肥料来养活地球。 这有可能减少全球碳足迹，也有助于解决对不断增长的人口粮食不安全的担忧。