國內(nei) 首個(ge) 量子計算雲(yun) 平台上線

　　以“雲(yun) ”為(wei) 裳，量子計算不再“高冷”

　　量子計算雲(yun) 平台對量子計算資源和成果進行開放共享，並提供各種基於(yu) 量子計算的衍生服務，可提前釋放量子計算的潛力，進而促進量子計算產(chan) 業(ye) 提前布局與(yu) 生態的良性培養(yang) 。

　　本報記者 吳長鋒

　　9月12日，我國企業(ye) 自主研發的超導量子計算雲(yun) 平台正式上線，全球用戶可以在線體(ti) 驗來自中國的量子計算服務。

　　據了解，此次發布的雲(yun) 平台係中國科學技術大學郭光燦院士團隊的成果轉化企業(ye) 合肥本源量子計算科技有限責任公司（以下簡稱本源量子）研發。本源量子董事長孔偉(wei) 成博士表示，該量子雲(yun) 平台基於(yu) 國內(nei) 率先實現工程化的超導量子計算機——悟源打造，搭載了6比特超導量子芯片誇父KF C6—130，保真度、相幹時間等技術指標均達到國際先進水平。

　　那麽(me) ，量子計算雲(yun) 平台是如何搭建的？它跟普通的雲(yun) 平台又有何不同呢？為(wei) 此，記者專(zhuan) 門采訪了本源量子的相關(guan) 專(zhuan) 家。

　　超越經典計算的突破路徑

　　要了解量子計算雲(yun) 平台，首先要弄清楚什麽(me) 是量子計算。

　　量子計算的概念自上世紀80年代提出以來，就被譽為(wei) “大自然賦予人類的終極計算能力”。近年來更是成為(wei) 世界各國爭(zheng) 相布局的前沿領域，IBM、穀歌、Intel等科技巨頭紛紛入局。

　　據了解，量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的計算模式，它與(yu) 現有的經典計算模式完全不同。經典計算使用二進製的數字電子方式進行運算，而二進製總是處於(yu) 0或1的確定狀態。量子計算則借助量子力學的疊加特性，能夠實現計算狀態的疊加，它不僅(jin) 包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態。

　　“簡單來說，量子計算機就是使用量子器件製造，利用量子的疊加與(yu) 糾纏特性，運行量子算法與(yu) 量子軟件的新型計算設備。在處理某些特定問題上，量子計算機相對於(yu) 經典計算機具有指數級別的計算速度優(you) 勢。即便是目前運算速度最快的超級計算機，在量子計算機麵前也隻能是個(ge) 算盤。”本源量子公司董事長孔偉(wei) 成博士告訴科技日報記者。

　　對比來說，在解決(jue) 實際問題的過程中，CPU（中央處理器）采用“串行”計算，即將一個(ge) 問題的若幹部分按照順序依次進行運算；GPU（圖形處理器，一種能非常高效地執行一些專(zhuan) 門運算的超高速芯片）采用“並行”計算，即將一個(ge) 問題拆成若幹個(ge) 小問題後，同時對每個(ge) 小問題的一部分進行運算；QPU（量子處理單元）則利用量子疊加性快速遍曆問題的各種可能性並找到正確答案。

　　形象地說，CPU算力隨比特數n的增長呈線性n增長，GPU算力隨比特數n的增長呈平方次n×n增長，QPU算力隨比特數n的增長呈冪指數2n增長。

　　隨著人類對於(yu) 計算機算力需求的不斷提升，半導體(ti) 芯片的製程技術也在不斷提高，目前已有多款5納米芯片產(chan) 品發布。

　　“5納米大小相當於(yu) 40個(ge) 矽原子，如果矽基半導體(ti) 器件尺寸繼續縮小至1納米級，那就意味著我們(men) 已經從(cong) 經典物理學深入到了量子物理學領域。”孔偉(wei) 成說，“在這樣的情境下，摩爾定律即將走向終結，大規模集成電路為(wei) 基礎的經典計算機到此可以畫上句號。研發量子計算機，就成為(wei) 了幫助人類繼續提升計算能力的新方向。”

　　為(wei) 世界提供中國量子計算服務

　　顧名思義(yi) ，量子計算雲(yun) 平台就是提供以量子計算為(wei) 核心的雲(yun) 服務的平台。量子程序將被發送到遠程量子服務器上，在雲(yun) 端完成它的編譯、運行與(yu) 測試調試等一係列過程，然後將結果傳(chuan) 回本地。

　　據了解，當前量子計算機仍需要嚴(yan) 苛的運行環境與(yu) 複雜的輔助設備，這些係統造價(jia) 高昂，普通用戶很難接觸到。為(wei) 了讓更多用戶體(ti) 驗、學習(xi) 、探索量子計算，國際主要的量子計算公司都開發了各自的量子雲(yun) 平台，使用雲(yun) 技術連接用戶與(yu) 真實的量子計算設備。

　　2016年，IBM率先研發出世界上第一個(ge) 基於(yu) 5位超導量子計算機的量子雲(yun) 平台IBM Q Experience。目前，IBM已經有22台公開的量子計算機，先後有100多家企業(ye) 單位和科研機構使用了其提供的量子計算雲(yun) 服務。在2019年，亞(ya) 馬遜、微軟先後上線了量子計算雲(yun) 平台Braket與(yu) Azure Quantum。

　　雖然起步較晚，但此次我國企業(ye) 自主研發的量子計算雲(yun) 平台同IBM的產(chan) 品性能相差無幾。據本源量子的官方數據顯示，對比2017年、2020年IBM量子雲(yun) 平台上公布的量子邏輯門保證度和量子讀取保證度等數據，本源量子公司此次推出的量子計算雲(yun) 平台目前的水平甚至能夠超過IBM最初建立的雲(yun) 平台水平。

　　孔偉(wei) 成告訴記者，為(wei) 滿足不同用戶的開發需求，平台提供了圖形化編程與(yu) 代碼編程兩(liang) 種量子計算在線編程方式，同時推出了複雜網絡排序、手寫(xie) 數字識別、用戶偏好行為(wei) 預測3款典型的量子編程應用，供用戶使用。

　　“這3款應用基於(yu) 目前成熟的量子算法，都是由本源量子研究團隊使用自主研發的量子編程框架QPanda與(yu) 量子編程語言QRunes開發的。”孔偉(wei) 成告訴記者，複雜網絡排序應用可對給定的網絡進行建模，例如為(wei) 預測病毒的下一個(ge) 傳(chuan) 播點提供重要參考，幫助各地更為(wei) 高效地分配防疫物資與(yu) 醫療資源；而手寫(xie) 數字識別應用在AI領域占有舉(ju) 足輕重的分量，為(wei) 後續加速計算機視覺量子化處理提供了可能；用戶偏好行為(wei) 預測應用則能夠實現量子關(guan) 聯規則數據挖掘算法,將用戶數據編碼到量子疊加態上，並基於(yu) 此給出用戶偏好預測，相較於(yu) 經典算法可以達到指數級的加速效果。

　　從(cong) 曆史的維度來看，本次量子計算雲(yun) 平台的推出，意味著我國的量子計算機正走出實驗室。孔偉(wei) 成表示，量子計算走出實驗室分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段，第一個(ge) 階段是從(cong) 科學研究到工程實現，第二個(ge) 階段是從(cong) 工程實現到產(chan) 業(ye) 落地的過渡，量子雲(yun) 平台的公布，意味著量子計算已經從(cong) 成熟度較低的科研範疇過渡到技術成熟度更高的工程實現階段。

　　將成量子計算爭(zheng) 奪的主戰場

　　“從(cong) 目前的研究來看，未來量子計算有望在密碼破解、化學分子模擬、金融工程、人工智能等領域發揮重大作用。”孔偉(wei) 成舉(ju) 例說，在一些有巨大算力需求的傳(chuan) 統行業(ye) ，如生物製藥、化工、能源等，以現有人類科技的計算能力進行計算的話，所消耗的時間過長、成本巨大；還有另一些本身對計算能力要求較高的科技行業(ye) ，也將會(hui) 是量子計算實現商用的領域，例如搜索、數字安全、人工智能、機器學習(xi) 等等。

　　據波士頓谘詢發布的報告預測，在不考慮量子糾錯算法的進展情況下，2035年全球量子計算應用市場規模將達到近20億(yi) 美元，隨後暴漲到2050年的2600多億(yi) 美元;若量子計算技術迭代速度超出預期，2035年市場規模可突破600億(yi) 美元，2050年則有望飆升至2950億(yi) 美元。

　　在此背景下，量子計算雲(yun) 平台依托互聯網資源，為(wei) 各類用戶提供雲(yun) 端接入，對量子計算資源和成果進行開放共享，並提供各種基於(yu) 量子計算的衍生服務，可提前釋放量子計算的潛力，進而促進量子計算產(chan) 業(ye) 提前布局與(yu) 生態的良性培養(yang) 。

　　國外雲(yun) 計算企業(ye) 在量子雲(yun) 計算方麵的競爭(zheng) 開始加劇。如IBM推出20量子比特的量子雲(yun) 服務器，提供了完善的QiKit量子程序開發套件，並建立了完善的開源社區服務。穀歌發布了72量子比特計算機Bristlecone，開發了Cirq量子開源框架，提供了量子化學材料計算的OpenFermion-Cirq用例。

　　與(yu) 此同時，國內(nei) 量子雲(yun) 服務公司的發展也呈現出蓬勃態勢。除本源量子公司推出量子雲(yun) 計算平台外，中國科學院量子信息與(yu) 量子科技創新研究院與(yu) 阿裏雲(yun) 在超導量子計算方向發布了11量子比特的雲(yun) 接入超導量子計算服務。華為(wei) 也已經發布了HiQ量子計算雲(yun) 服務平台和兼容ProjectQ量子編程框架。

　　目前量子計算雲(yun) 平台從(cong) 物理底層、計算引擎、應用軟件開發到上層應用已經具備生態雛形。在量子計算雲(yun) 平台上培養(yang) 研究者和用戶的操作習(xi) 慣，引導諸多行業(ye) 對量子計算的應用傾(qing) 向，將為(wei) 以後計算領域的內(nei) 核升級奠定生態基礎，可以預見，未來量子計算雲(yun) 平台勢必會(hui) 成為(wei) 量子計算爭(zheng) 奪的主戰場。