量子技術(shù)的新突破,首個核磁共振量子云平臺上線

　　　　無論IBM、谷歌在宣傳自己的量子計算進展時是否夸大其詞，從IBM推出量子云服務(wù)這件事看，顯然美國科研人員非常重視量子計算的實用化。而今我們的國際量子計算云平臺也上線了量子計算云平臺“中國版”正式啟動，清華大學(xué)、阿里巴巴-中科大、本源量子-中科大在同一天發(fā)布了。

　　量子信息革命正加速到來，2016年，IBM就向公眾開放了基于云的量子計算平臺，用戶登錄后能使用一臺5量子比特的量子計算機進行算法或?qū)嶒災(zāi)M；今年3月，IBM又宣布計劃建立業(yè)界首個商用通用量子計算平臺IBM Q。

　　在量子計算領(lǐng)域，國內(nèi)外的競爭十分激烈，就在10月10日，英特爾通過其官網(wǎng)宣布，公司生產(chǎn)出一種包含17個超導(dǎo)量子位的全新芯片，標(biāo)志著量子計算正從學(xué)術(shù)實驗室進入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，向?qū)嵱妙I(lǐng)域邁進。

　　與IBM不同，清華大學(xué)課題組的量子計算云平臺是基于核磁共振量子計算機，不同的量子計算機物理體系有什么優(yōu)缺點？我們采訪了清華大學(xué)物理系核磁共振量子計算實驗室，他們表示，“我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開”。

　　核磁共振量子計算實驗室部分工作人員 （李可仁 辛濤作為技術(shù)負(fù)責(zé)，指導(dǎo)老師為龍桂魯，曾蓓 尹章琦 魯大為 李俊 黃詩霖 陸思銳等是合作者）

　　源自中科大郭光燦院士團隊的本源量子公司、 阿里巴巴和中科大潘建偉院士團隊合作，共三個團隊在同一天都發(fā)布了量子云計算平臺。 同時我們還在預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)布了相關(guān)論文。我們實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與真實的核磁共振量子信息處理系統(tǒng)的對接，這是國際上首個基于核磁共振的量子云計算平臺，在中文版上線后的24小時內(nèi)，網(wǎng)站主頁獨立IP訪問次數(shù)近2000次，來自清華大學(xué)、中國科大、九院等不同單位近150個的注冊用戶，提交的在線計算任務(wù)80余次，也引起了國際以及***地區(qū)同胞的關(guān)注。

　　量子云平臺只包含四個量子比特，但是邏輯門保真度超過98%，可以完成很多步復(fù)雜的邏輯門。目前這個平臺上完成過哪些有代表性的計算任務(wù)。

　　核磁共振作為實現(xiàn)量子計算最早的物理平臺之一，至今已經(jīng)發(fā)展了許多完善精確的量子操控技術(shù)以及積累了豐富的量子計算經(jīng)驗，在量子計算以及量子模擬等主要量子信息研究領(lǐng)域取得了許多重要的成果，比如用于這次云計算的譜儀之前在實驗上實現(xiàn)了具有強大搜索能力的Grover算法，7個量子比特體系的高保真度相干操控，國際上首個和樂量子計算，量子隧穿現(xiàn)象以及植物光合作用等量子模擬。這個量子云平臺不僅是個量子計算體驗平臺，而且更是一個開展量子計算和量子操控研究的平臺，用戶完成可以利用該量子云平臺做創(chuàng)新性研究，期待他們能做出出色的成果。

　　量子云使用規(guī)則和量子云運行結(jié)果（舉例）

　　據(jù)介紹，量子計算研究有不同層級，從最底層的物理層，到其上的控制層、電路層，一直到最上層的算法。IBM的量子云服務(wù)，開放的是量子計算中的電路層和算法層。對于想要自己造量子計算機的研究人員來說，這個服務(wù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。那么，你們建立自己的量子云平臺，能為控制層、物理層的研究帶來哪些幫助？

　　首先，我們建立自己的量子云平臺的服務(wù)是完全可以開放到控制層的。所謂控制層，按我們的理解，核心是對系統(tǒng)控制脈沖的設(shè)計。我們在脈沖設(shè)計過程中要綜合考慮時間或能量優(yōu)化、減少系統(tǒng)誤差、抵抗環(huán)境噪聲等問題。核磁共振譜學(xué)在半個多世紀(jì)的發(fā)展中，在脈沖設(shè)計方面積累了大量的技術(shù)與經(jīng)驗。特別是近二十年來，基于核磁共振實驗平臺的量子控制方法趨向于比較成熟，我們的團隊匯集了這方面的專業(yè)隊伍。因此，我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開。

　　將核磁共振量子計算實驗的控制層面自動化，有利于提高我們的科研效率。進一步將控制層開放給用戶，那么用戶就可以從更基本的層次學(xué)習(xí)、理解實際量子計算體系是怎么運行的。實際上，雖然不同的體系有各種各樣的細(xì)節(jié)上的差異，但在控制層面它們有很多共通的地方，我們期待更多的同行們對此感興趣，將核磁共振成熟的控制方法推廣應(yīng)用到其它的物理體系。

　　量子云中組件的連接

　　通用型的量子計算機還沒有問世，目前形形色色的量子計算原型機各有什么特點？比如，此前中國發(fā)布的光量子計算原型機擅長做玻色取樣，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的原型機可以用來解線性方程組，那么能否簡要介紹一下你們課題組的核磁共振量子計算機？

　　之所以出現(xiàn)多種不同物理體系的量子計算原型機，主要原因是目前實用化的量子計算機還未問世，而可能實現(xiàn)量子計算機的物理體系有許多，如超導(dǎo)量子系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)，拓?fù)淞孔佑嬎泱w系，量子光學(xué)系統(tǒng)，量子點系統(tǒng)等，當(dāng)然還有我們的核磁共振系統(tǒng)。制造量子計算機對系統(tǒng)有五個要求，不同的系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，都沒有滿足建造量子計算機的所需要滿足的這五個條件，現(xiàn)在大家都在努力，爭取率先實現(xiàn)量子計算機。

　　IBM新上線的Jerry Chow團隊的量子計算云服務(wù)，背后對應(yīng)的據(jù)說是一臺有5個量子位的超導(dǎo)量子計算原型機，這和你們課題組的核磁共振量子計算機有哪些區(qū)別？

　　IBM在去年5月便推出了這臺5比特的超導(dǎo)量子計算原型機，今年5月他們將這一紀(jì)錄提高到了16比特。在IBM的量子計算原型機推出后，在學(xué)界引發(fā)了一個熱潮，這一年來，利用IBM原型機的科研文章也如雨后春筍般涌出，這對量子計算的發(fā)展也有不小的促進作用。反觀國內(nèi)，缺少這種在線式量子云服務(wù)。為了滿足這一需要和發(fā)展趨勢，我們利用自己的系統(tǒng)搭建了這一平臺。相比于IBM的原型機，由于本質(zhì)上是兩種不同的物理體系實現(xiàn)量子計算，天然的區(qū)別便是不同體系間的區(qū)別。超導(dǎo)體系屬于固體量子體系，擅長比特數(shù)的擴展。我們的核磁共振體系是系綜量子體系，擅長實現(xiàn)高精度的操作。另一個區(qū)別當(dāng)然是我們只提供四個比特的量子計算原型機。

　　有人說，IBM的云服務(wù)雖然可以在網(wǎng)上供用戶設(shè)計門運算，但用戶無法確定，是否真的把你選的運算拿到量子位上做了，還是僅僅模擬一下就顯示結(jié)果。如果是模擬實現(xiàn)，是不是意義有限？

　　IBM向網(wǎng)上用戶提供的五量子比特云計算服務(wù)，雖然看不到它的底層比如你之前提到的控制層和物理層，但我們相信用戶所提交的任務(wù)是在真實的量子位上運算實現(xiàn)的，而不是簡單的模擬實現(xiàn)。這里的模擬實現(xiàn)是指實際上量子計算依然用經(jīng)典計算機運算來模擬的。如果是這樣的實現(xiàn)，用戶也得到了量子計算的體驗，但與實際的量子計算還是有一些差別。核磁共振量子云計算中執(zhí)行量子計算任務(wù)的是一個真正的量子計算體系，計算步驟和將來的大型的實用化的量子計算機是一樣的。這就好比說，利用經(jīng)典計算機模擬的量子云計算相當(dāng)于軍事上的一場軍事演習(xí)，雖然不是真正的量子計算，但也是很有意義的。而一臺有4個比特的核磁共振量子云計算，相當(dāng)于一場真正的戰(zhàn)役，雖然只有4個士兵參加，卻是一場真正的小型戰(zhàn)役。

　　我們知道經(jīng)典計算機也能模擬量子算法，那么不同的量子算法，比如針對整數(shù)分解、可用于破解加密的Shor算法，在核磁共振量子計算機等各類量子計算機上都可以原生實現(xiàn)嗎？對于不同的量子計算機方案，是否實現(xiàn)更多的量子位就是更優(yōu)的方案？

　　在過去的二十年，人們已經(jīng)在核磁共振量子計算機上實現(xiàn)了各種量子算法，包括最早實現(xiàn)了求解大數(shù)分解問題的Shor算法、求解搜索問題的Grover算法。雖然這些算法的實現(xiàn)還是在較小的系統(tǒng)上，通常量子比特數(shù)不超過7個，但是這些研究展現(xiàn)了量子算法在真實的量子計算機上是如何運行的，深化了我們對算法的實際實現(xiàn)，量子計算機的能力，還有現(xiàn)階段技術(shù)需要哪些方面的改進等許多問題的認(rèn)識。另外，隨著超導(dǎo)、離子阱等各種量子體系的技術(shù)水平的提升，它們也同樣可以在少數(shù)量子位上實現(xiàn)各種量子算法。

　　什么是更優(yōu)的量子算法的物理實現(xiàn)方案，我認(rèn)為至少需要兩個評判標(biāo)準(zhǔn)：一是實現(xiàn)更多量子位的計算，當(dāng)前在這方面國內(nèi)外的競爭十分激烈；另一個也需要看在同等規(guī)模上，可以實現(xiàn)多么復(fù)雜精細(xì)的操控量子門的序列，目前核磁共振實驗平臺在這一點上還是保有一定的優(yōu)勢的。為了實現(xiàn)實用化的量子計算機，最重要的一點是能夠?qū)崿F(xiàn)量子糾錯，或者是容錯量子計算，這就需要將操作精度提高一個閾值，超過這一閾值才有可能實現(xiàn)量子糾錯，目前核磁共振量子計算所達到的精度已經(jīng)達到了這一閾值。

　　無論IBM、谷歌在宣傳自己的量子計算進展時是否夸大其詞，從IBM推出量子云服務(wù)這件事看，顯然美國科研人員非常重視量子計算的實用化。目前，中美在量子計算領(lǐng)域的科研賽跑情況如何？

　　量子計算領(lǐng)域已經(jīng)引起了國內(nèi)外各界廣泛的關(guān)注，包括國家政府，軍隊，企業(yè)公司，高校科研單位等，他們從不盡相同的角度投入到量子計算的研究中。十幾年前，國內(nèi)大力開展量子信息的研究，經(jīng)過多年的努力，特別是在量子通信領(lǐng)域，目前已經(jīng)做到世界領(lǐng)先了。當(dāng)前量子計算被列入了十三五重大研究計劃，國內(nèi)的一些企業(yè)公司也開始致力于量子計算的研究，比如自主研發(fā)屬于國內(nèi)的量子云計算平臺。相信在這樣良好的環(huán)境下，十幾年后我們國家的量子計算也能取得世界領(lǐng)先的地位。