玻色量子加速實用化量子計算應(yīng)用

日前，由北京理工大學(xué)管理學(xué)院主辦、中國運籌學(xué)會數(shù)據(jù)科學(xué)與運籌智能分會科研與學(xué)術(shù)交流中心管理工程系承辦的明理講堂線上直播活動成功舉辦。玻色量子副總裁巨江偉發(fā)表了以“實用化量子計算”為主題的精彩報告。

量子計算作為現(xiàn)代科技的最前沿領(lǐng)域，代表著人類下一代算力技術(shù)，正飛速發(fā)展并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。它利用量子比特來處理信息，相較于經(jīng)典計算機，在解決某些特定問題上具有絕對的速度與準(zhǔn)確度優(yōu)勢。

相干光量子計算機是一種利用光子作為計算單元的量子技術(shù)，它通過操縱光子的相位來實現(xiàn)算力加速。相干光量子計算機在計算規(guī)模、穩(wěn)定性、可編程性等方面具有獨特優(yōu)勢，這使得它能夠在某些特定場景下能夠率先被使用。本次學(xué)術(shù)報告分享了基于光量子計算機實現(xiàn)的多種應(yīng)用案例，展示量子技術(shù)如何為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來創(chuàng)新和變革。

巨江偉介紹到，2024年4月18日，玻色量子重磅發(fā)布了550計算量子比特的相干光量子計算機真機，及開物SDK等核心產(chǎn)品，并展示了量子計算與人工智能的創(chuàng)新結(jié)合成果，是實用化量子計算的起點。這不僅代表了新質(zhì)生產(chǎn)力中的量子計算與經(jīng)典計算的深度融合，還彰顯了玻色量子具有的創(chuàng)新實力和行業(yè)領(lǐng)先地位，也標(biāo)志著我國實用化量子科技事業(yè)邁入了新的發(fā)展階段。

550計算量子比特的相干光量子計算機，基于自研的“空間光路+光纖光路”的異構(gòu)光路體系架構(gòu)，采用相干光脈沖相位編碼來制備量子比特。在導(dǎo)入計算問題的參數(shù)矩陣的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了算力提升70% GMACs、采樣精度提高2.7倍、SoC架構(gòu)、響應(yīng)速度提升200%、自動校準(zhǔn)偏壓、自動電信號對準(zhǔn)、自動調(diào)光和自動控制等性能于一體，可以同時控制、讀取和執(zhí)行快速反饋來微秒級操控550個計算量子比特。

在算力優(yōu)勢上，相干光量子計算機可以解決最高超過550個變量的數(shù)學(xué)問題，耦合鏈接規(guī)模達(dá)到150975個，是100量子比特的相干光量子計算機的28倍。隨著問題規(guī)模的增加，實際計算復(fù)雜度也呈現(xiàn)指數(shù)級增加，其在國內(nèi)首次實現(xiàn)550節(jié)點全連接可編程的Max-Cut問題計算求解，能在數(shù)個毫秒級時間內(nèi)在龐大的解空間中進行并行搜索，求出優(yōu)化解，實現(xiàn)了比經(jīng)典計算在實際應(yīng)用問題上的數(shù)萬倍加速！達(dá)到最優(yōu)解99%的求解概率為99%！

在行業(yè)探索與應(yīng)用方面，巨江偉提到，玻色量子通過為期一年的量子計算實用化的商業(yè)實踐，發(fā)現(xiàn)了量子計算在組合優(yōu)化和人工智能兩大場景上發(fā)揮了巨大的計算優(yōu)勢。同時，玻色量子已聯(lián)合生態(tài)合作伙伴在算力調(diào)度、分子對接、虛擬電廠、量子圖聚類、量子深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練等 行業(yè)場景實現(xiàn)了一系列重要成果突破。

以AI場景為例，清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院李升波教授課題組提出了多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的伊辛訓(xùn)練算法，這是國際上首個使用相干伊辛機（CIM）的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練算法，代表了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)量子訓(xùn)練領(lǐng)域的重要突破。這一算法已在玻色量子的相干光量子計算機上完成了真機驗證 ，實驗表明它能在毫秒之內(nèi)解決大規(guī)模二進制優(yōu)化問題，為AI時代的模型訓(xùn)練提供了另一種可能路徑。這也是在量子AI時代突破實用化量子計算發(fā)展的關(guān)鍵突破之一?；诓Ｉ孔釉诠饬孔佑嬎泐I(lǐng)域卓越的算力優(yōu)勢，玻色量子將聯(lián)合清華大學(xué)繼續(xù)在“量子計算+AI”領(lǐng)域達(dá)成聯(lián)合研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面深入的合作交流，落實“產(chǎn)學(xué)研用”的交叉融合與應(yīng)用探索，爭取獲得更大的開創(chuàng)性突破。

以算力調(diào)度真實應(yīng)用場景為例，圖像渲染的算力調(diào)度任務(wù)是云計算中的一個實際場景，客戶端提交一個特定的渲染需求，云計算服務(wù)提供商必須找到調(diào)度計算資源的最佳方案，即在滿足約束的同時，用盡可能少的服務(wù)器數(shù)量完成渲染。移動云通過玻色量子的相干光量子計算機真機對算力需求的組合優(yōu)化問題進行求解，算力調(diào)度的復(fù)雜性和高成本問題都可以得到很好的解決，并能實現(xiàn)顯著的量子加速，和經(jīng)典的模擬退火算法以及禁忌搜索算法相比，平均節(jié)省97%的求解時間。玻色量子聯(lián)合移動云在我國知名物理1區(qū)Top期刊SCPMA英文版上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文。

以分子對接真實應(yīng)用場景為例， 分子對接是基于配體受體識別的鎖鑰模型，通過計算配體受體之間的空間互補以及能量匹配來尋找其復(fù)合物模式。是藥物發(fā)現(xiàn)的重要技術(shù)手段，其巨大的搜索空間和計算要求充滿了挑戰(zhàn)，而相干光量子計算機的求解速度比傳統(tǒng)計算機快1000倍，因此，該研究提出的算法模型可顯著提升未來藥物虛擬篩選效率和準(zhǔn)確率。玻色量子聯(lián)合上海交通大學(xué)的研究成果已發(fā)表在中科院分區(qū)1區(qū)、計算化學(xué)領(lǐng)域Top刊物JCTC內(nèi)刊封面。

以虛擬電廠真實應(yīng)用場景為例， 虛擬電廠調(diào)度是將分布式電源（發(fā)電）、可控負(fù)荷（用電）、儲能等資源聚合成一個虛擬的集中式電廠，基于發(fā)電量、用電量、電價等數(shù)據(jù)信息制定更加經(jīng)濟、合理的電力分配方案，從而實現(xiàn)削峰填谷的電網(wǎng)穩(wěn)定優(yōu)化。清大科越基于相干光量子計算機真機成功實現(xiàn)對虛擬電廠聚合資源優(yōu)化求解問題的計算驗證，在毫秒級時間內(nèi)找到了全局最優(yōu)解，相比于經(jīng)典優(yōu)化算法的計算速度提升100倍以上。玻色量子聯(lián)合清大科越、上海交通大學(xué)在國家一級學(xué)報——《中國電機工程學(xué)報》上首發(fā)以《基于光量子計算機的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化方法》為題的學(xué)術(shù)論文研究成果。

以量子圖聚類算法真實應(yīng)用場景為例， 通過將經(jīng)典的AI聚類算法進行模型重構(gòu)，研發(fā)出能夠運行在量子計算機上的量子圖聚類算法。測試發(fā)現(xiàn)，混合量子社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法，相較于經(jīng)典的混合Louvain及混合Leiden有更好的數(shù)據(jù)區(qū)分能力，并且通過量子獨有的多模態(tài)融合技術(shù)，可以進一步提升算法的準(zhǔn)確性。

以金融為例，平安銀行已將玻色量子計算真機服務(wù)應(yīng)用于真實業(yè)務(wù)優(yōu)化，充分利用玻色量子計算機的性能優(yōu)勢，結(jié)合業(yè)務(wù)實際需求，將特征篩選轉(zhuǎn)化為組合優(yōu)化問題，采用量子計算求解更好的特征組合從而提升機器學(xué)習(xí)算法性能。2024年，采用真實數(shù)據(jù)集研究與主流特征篩選比較，算法采用量子真機優(yōu)化求解，驗證可知，量子計算機真機能找到優(yōu)于模擬器的組合。

最后，巨江偉表示玻色量子持續(xù)深耕光量子計算領(lǐng)域的實用化場景應(yīng)用研究與探索，加強“產(chǎn)學(xué)研用”生態(tài)合作，聯(lián)合眾多優(yōu)秀合作伙伴構(gòu)建實用化量子生態(tài)產(chǎn)業(yè)，讓各行業(yè)隨時隨地都能用上量子計算的強大算力。

日前，以“量子計算與計算機學(xué)科的交融共進”為主題的第三屆（2024年）中國計算機學(xué)會量子計算大會（CQCC2024）在長沙·北辰國際會議中心舉辦。由玻色量子承辦的“量子計算應(yīng)用論壇”在會議中心二樓國賓1廳舉辦。

圍繞量子計算系統(tǒng)構(gòu)建的多個方面，大會邀請了來自量子理論、軟件和多種硬件實現(xiàn)技術(shù)等方向的代表性學(xué)者作特邀報告，包括量子計算機實現(xiàn)的判定依據(jù)（DiVincenzo判據(jù)）提出者、美國國家科學(xué)院院士David DiVincenzo等國內(nèi)外權(quán)威學(xué)者。近五十名學(xué)術(shù)大咖在十余個學(xué)術(shù)論壇分享領(lǐng)域創(chuàng)新成果，共同探討量子計算領(lǐng)域的最新進展和未來發(fā)展趨勢。大會同時設(shè)置圓桌論壇(Panel)、海報展示、企業(yè)展覽、晚宴頒獎等活動，助力量子計算相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流、協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研合作，推動我國量子計算和計算機學(xué)科的共同發(fā)展。