量子云是什么？量子云平臺如何構(gòu)建？

普通人如何接觸到真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)？答案是“量子云”；咱中國人如何接觸到真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)？答案是“咱自己的量子云”。

最近，“量子云”成為了一個科技熱詞。2023年5月， IBM將此前發(fā)布的433量子比特“Osprey（魚鷹）”處理器推上量子云平臺；在5月底北京舉辦的中關(guān)村論壇上，北京量子信息科學(xué)院（簡稱“北京量子院”）正式發(fā)布“Quafu”量子計(jì)算云平臺，該平臺由北京量子院、中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，其中最大規(guī)模的一臺量子計(jì)算系統(tǒng)，能提供136個相互連通的、可獨(dú)立操控與測量的量子比特。

或許很多人不清楚“量子云”為何物，或者很容易聯(lián)想到云計(jì)算，二者實(shí)際上是兩種完全不同的事物。今天我們就來聊一下這種備受關(guān)注的量子算力共享模式——量子云。

?

一臺超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)

量子云是什么？

首先還是先快速介紹一下量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的區(qū)別。我們現(xiàn)在用到的計(jì)算方式，包括電腦、手機(jī)、計(jì)算器等，都是基于二進(jìn)制邏輯的，最底層的信息存儲和處理單元叫作比特。一個比特可以處于0或1兩種狀態(tài)之一，通過電路大量的比特連接在一起，并在上面執(zhí)行一系列的邏輯操作，如“與門、與非門、異或門”等等，最終去獲取存儲著計(jì)算結(jié)果的那一組比特的狀態(tài)，這樣便能進(jìn)行各種各樣的運(yùn)算。這種計(jì)算方式我們稱之為經(jīng)典計(jì)算。

在這里我們看到了計(jì)算的四要素：一是信息的存算單元——比特；二是作用在比特上的一組通用邏輯門操作；三是算法，即邏輯門是如何組織并映射到比特上的；最后一個要素就是讀取。量子計(jì)算同樣需要具備這些要素，而在利用了量子力學(xué)的疊加和糾纏等基本原理之后，它能表現(xiàn)出很多經(jīng)典計(jì)算所不具備的能力。

量子計(jì)算的基本信息處理單元是量子比特，它是一個最簡單的量子系統(tǒng)——兩能級系統(tǒng)。作為類比，我們可以分別將這兩個能級標(biāo)記為0和1。由于量子態(tài)的疊加性，這樣一個系統(tǒng)可以處在0和1的疊加態(tài)，也就是說，這個量子比特可以部分是0，部分是1。這種疊加特性賦予了量子比特同時表達(dá)多種狀態(tài)的能力，因此其有更強(qiáng)的信息編碼能力。當(dāng)多個量子比特連接在一起，我們可以將其糾纏在一起，這也是經(jīng)典比特所不具備的能力。

對于量子比特的糾纏很難詳細(xì)解釋，但我們可以這樣理解：糾纏的比特中，信息的表達(dá)必須當(dāng)成一個整體來看，而且其維度隨著比特?cái)?shù)量的增長而指數(shù)增長，這就為計(jì)算提供了一個指數(shù)增長的編碼空間，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)指數(shù)級的計(jì)算加速能力。如果我們能找到這樣一對能級（即糾纏的量子比特）并且能夠不斷地?cái)U(kuò)展，在這些量子比特上執(zhí)行精確的量子門操作，然后能夠準(zhǔn)確地測量它們的量子態(tài)，最后能設(shè)計(jì)出好的量子算法，我們就有可能完成一些不可思議的高效計(jì)算。實(shí)際上，確有實(shí)例——著名的Shor算法，能夠?qū)⒋髷?shù)分解問題的復(fù)雜性降低到準(zhǔn)多項(xiàng)式級；在理論上，該算法可能將互聯(lián)網(wǎng)通用的RSA密碼或橢圓曲線密碼在很短時間內(nèi)破解掉，產(chǎn)生的威脅度可以說直接關(guān)系到國家安全。這也是各國大力投入對量子計(jì)算/信息產(chǎn)業(yè)的原因之一。

現(xiàn)實(shí)中，能夠構(gòu)建出量子比特的物理系統(tǒng)有很多種，可以是基于光子、電子、原子、分子、原子核、晶格缺陷等；熟悉一點(diǎn)量子計(jì)算的讀者可能聽說過超導(dǎo)量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算、半導(dǎo)體量子計(jì)算、光量子計(jì)算等，這些本質(zhì)上就是基于不同物理體系而發(fā)展出的不同技術(shù)路線，進(jìn)展?fàn)顩r也各不相同。目前，超導(dǎo)和離子阱被認(rèn)為是最有前景的兩種技術(shù)方案。IBM的“魚鷹”處理器和Quafu量子計(jì)算云平臺，都是基于超導(dǎo)方案的。

當(dāng)然，不管是超導(dǎo)還是離子阱方案，由其開發(fā)的（量子）硬件仍處于應(yīng)用示范階段。產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展需要研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用兩端協(xié)同。一方面，急需應(yīng)用端提出合理的實(shí)際需求，這樣能夠讓研發(fā)者更加精準(zhǔn)地規(guī)劃未來的研究方向和技術(shù)路線；應(yīng)用端也急需在真實(shí)的量子硬件上測試并優(yōu)化自己的算法，以盡快產(chǎn)生實(shí)際的效益。而另一方面，量子計(jì)算的技術(shù)門檻和資金投入都非常高，高品質(zhì)的量子計(jì)算資源非常稀缺，無論是高校研究所從事量子算法理論研究的，還是企業(yè)從事量子技術(shù)需求探索的，都很難獲取這些量子計(jì)算資源。因此，從業(yè)者需要一種開放共享機(jī)制來將研發(fā)端與應(yīng)用端緊密連接起來。目前大家認(rèn)為最好的方式，就是量子云平臺。

P136量子云的性能與連通性視圖（來源：http://quafu.baqis.ac.cn/）

量子云平臺如何構(gòu)建？

如果有一臺經(jīng)過精細(xì)校準(zhǔn)的量子芯片測控系統(tǒng)，它對互聯(lián)網(wǎng)開放了一套API，也就是應(yīng)用程序接口，我們就可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到這臺量子測控系統(tǒng)，向它發(fā)送量子線路并獲取返回的測量數(shù)據(jù)。如果能進(jìn)一步提供一套相對完整的工具集和調(diào)度系統(tǒng)，幫助用戶進(jìn)行量子線路的編譯優(yōu)化，以及比特映射等，并保證大量用戶可以同時訪問，我們就構(gòu)建出了一個量子云平臺。

這里有必要了解一下什么是“量子測控系統(tǒng)”，以及“量子線路”。前文我們已經(jīng)大致梳理了計(jì)算的幾個要素：信息存儲和處理單元（比特）、完備的通用邏輯門集、算法和讀取。而量子測控系統(tǒng)就是要解決通用量子門的物理實(shí)現(xiàn)，以及量子態(tài)讀取這兩個環(huán)節(jié)，前者對應(yīng)“控”，后者對應(yīng)“測”。

以單比特旋轉(zhuǎn)門為例，假如我們希望讓某個量子比特QA上的態(tài)繞X-軸旋轉(zhuǎn)180度，實(shí)際的操作是，向QA上施加一個面積精準(zhǔn)的共振微波脈沖。這樣的脈沖信號一般是通過一臺室溫的任意波發(fā)生器來編輯并生成的，而量子比特處在極低溫，我們該怎樣將這個信號精準(zhǔn)地送到指定的比特附近呢？這就需要有一根電纜將脈沖源與QA的控制線連接起來。這聽起來簡單，實(shí)現(xiàn)起來卻非常不容易，科學(xué)家和工程師不僅需要保證有足夠的信號傳遞下去，還要保證室溫的熱量盡可能少得傳下去，確保熱噪聲和其他噪聲源不會順著電纜偷偷溜到量子比特附近搞破壞。為此，一方面需要采用特殊的低溫同軸電纜，另一方面則需要逐級插入各種衰減器、濾波器等器件，整個鏈路非常精巧。在讀取方面，我們需要將極其微弱的量子信號進(jìn)行逐級放大，并交給室溫的采集卡來進(jìn)行采集和處理。所有這些用于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的量子門操控、精確的量子態(tài)讀取相關(guān)的電子學(xué)、電纜、各種微波器件、樣品盒等等組成的整體，就是復(fù)雜而精巧的“量子測控系統(tǒng)”的物理部分了。此外，測控的軟件部分同樣非常重要，它負(fù)責(zé)對測控設(shè)備進(jìn)行高效管理、調(diào)控波形、數(shù)據(jù)處理和可視化，以及相關(guān)的工具鏈等等。

量子測控系統(tǒng)示意圖丨圖片來源：IBM Quantum

而量子線路，則是根據(jù)特定目的將上述的量子門和讀取組織起來形成的邏輯序列。前面提到的Shor算法，本質(zhì)上就是一種量子線路。不過它還比較抽象，一般需要做一些轉(zhuǎn)換才能在實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這就要用到量子云的編譯優(yōu)化工具了。在一個開放的量子云上，用戶可以提交各種各樣的量子線路，只要符合基本規(guī)則。這種開放性質(zhì)使得量子云要應(yīng)對的情況，某種程度上比在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)還要復(fù)雜。

可以想象如下場景：用戶直接通過網(wǎng)頁、APP訪問真實(shí)的量子計(jì)算資源，高級用戶甚至可以集成到自己的應(yīng)用程序中去，構(gòu)建自己的量子應(yīng)用。所有這些工作，都可以坐在辦公室里完成，無需親臨布滿線路的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，更無需親自搭建儀器、調(diào)試線路——這就是實(shí)際可以使用的量子云平臺?？梢钥吹剑孔釉茦O大的降低了用戶使用量子計(jì)算資源的門檻，可以讓更多人在真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)上快速驗(yàn)證和改進(jìn)自己的想法。讓更多的聰明大腦參與進(jìn)來，是推動量子計(jì)算走向?qū)嵱玫慕K南捷徑。

量子云競爭激烈，自主研發(fā)是關(guān)鍵

最早以量子云的形式推廣量子計(jì)算的是IBM， 2016年他們推出了第一臺5量子比特的量子云。時至今日，IBM已經(jīng)推出了多達(dá)25臺量子云計(jì)算平臺，目前可以公開訪問的系統(tǒng)最多包含了433個量子比特。我國從2017年開始陸續(xù)有團(tuán)隊(duì)探索這一模式，最早的是中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院推出的12比特量子計(jì)算云平臺。目前已經(jīng)多個研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對外提供量子云服務(wù)，這次在中關(guān)村論壇上發(fā)布的Quafu量子云平臺，是我國首次推出百比特以上規(guī)模的量子云，其意義實(shí)際上是非常大的。百量子比特規(guī)模的量子計(jì)算，從芯片設(shè)計(jì)、極低溫線路布置、測控電子學(xué)集成，到測控軟件系統(tǒng)構(gòu)架等，復(fù)雜性都較之前大大增加了。再結(jié)合更為上層的編譯、優(yōu)化和云前端等軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試，可謂是一項(xiàng)系統(tǒng)性的量子工程挑戰(zhàn)。

美國目前擁有最先進(jìn)的量子云技術(shù)，以此為依托的量子應(yīng)用生態(tài)布局也更為深入，需要注意的是，國外的量子云已經(jīng)對中國進(jìn)行了很大的限制，最好的、最先進(jìn)的量子資源我們早已經(jīng)無法訪問（國內(nèi)只能訪問IBM推出較早、比特?cái)?shù)較少的量子云系統(tǒng)）。因此，國內(nèi)自主研發(fā)高質(zhì)量的量子云平臺，對我國量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)至關(guān)重要。

IBM已上線的量子計(jì)算系統(tǒng)，433量子比特的魚鷹處理器首次上線

最后，我們還應(yīng)該認(rèn)識到在量子云布局上國內(nèi)與IBM有差距，而圍繞量子云的量子計(jì)算應(yīng)用生態(tài)建設(shè)更是剛剛起步，還有很長的路要走。一路上，需要更多來自不同領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師和企業(yè)家攜起手來一起前進(jìn)。希望我國的量子計(jì)算技術(shù)能穩(wěn)扎穩(wěn)打，科研與產(chǎn)業(yè)并進(jìn)，在這一顛覆性的新賽道上，走向世界之巔！

編輯：黃飛