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5月26日，北京量子信息科學(xué)研究院在2023中關(guān)村論壇正式發(fā)布“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)，成為十項(xiàng)重大科技成果之一。這一全鏈條(全棧式)自研的量子計(jì)算云平臺(tái)搭載三枚自研超導(dǎo)量子芯片，單芯片最大比特?cái)?shù)達(dá)到136，同時(shí)測(cè)控精度高，最高可以實(shí)現(xiàn)18量子比特的全局糾纏，目前這一計(jì)算性能已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。目前，量子計(jì)算云平臺(tái)已在包括金融等領(lǐng)域初步應(yīng)用測(cè)試，今后有望在物流、材料、機(jī)器學(xué)習(xí)、藥物研發(fā)、保密通信等更多領(lǐng)域開展實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)布

量子計(jì)算云平臺(tái)上線三個(gè)不同規(guī)格超導(dǎo)量子芯片

量子計(jì)算云平臺(tái)是量子計(jì)算綜合性能的展示，以互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算的形式，整合量子芯片、測(cè)控設(shè)備、量子操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件為一體，將量子算力提供給研究及測(cè)試者，是量子計(jì)算走向?qū)嵱没娜珬Ｊ郊夹g(shù)和基礎(chǔ)。

北京量子信息科學(xué)研究院聯(lián)合中科院物理研究所和清華大學(xué)，共同推出了“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)，取意“量子未來”，上線三個(gè)超導(dǎo)量子芯片，三個(gè)芯片分別有136、18和10個(gè)量子比特，用戶可以自主選擇合適的芯片運(yùn)行量子計(jì)算任務(wù)。

云平臺(tái)兼容國(guó)際通用的開放量子匯編語言標(biāo)準(zhǔn)，提供了圖形界面、量子匯編語言和客戶端三種提交量子計(jì)算任務(wù)的形式，方便用戶多種應(yīng)用需求。

據(jù)中科院物理所研究員、北京量子院量子計(jì)算云平臺(tái)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人范桁介紹，目前“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)在單芯片量子比特?cái)?shù)和芯片數(shù)量上都處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。云平臺(tái)測(cè)控精度高，可實(shí)現(xiàn)18量子比特的全局糾纏，軟件功能齊全，是國(guó)際先進(jìn)的量子計(jì)算云平臺(tái)。

18量子比特的全局糾纏意味著什么？“Quafu”團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始成員、北京量子信息科學(xué)研究院博士后王正安告訴北京青年報(bào)記者，量子計(jì)算的主要性能指標(biāo)是單枚量子芯片上的量子比特?cái)?shù)，“Quafu”目前最大的芯片“ScQ-P136”擁有136個(gè)量子比特，在世界范圍內(nèi)僅次于IBM的Osprey芯片，位列第二。

“量子糾纏”是量子特有的一種性質(zhì)，也是量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的重要原因之一，“我們可以把量子糾纏理解為一種計(jì)算資源，要操控多個(gè)量子比特同時(shí)實(shí)現(xiàn)糾纏非常不容易，‘Quafu’量子計(jì)算云平臺(tái)在云端能夠?qū)崿F(xiàn)18量子比特的全局糾纏，這個(gè)在國(guó)際上也是達(dá)到了先進(jìn)水平?！蓖跽步忉尫Q。

量子云平臺(tái)是量子計(jì)算機(jī)走向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)量子計(jì)算的生態(tài)就是基于此系統(tǒng)。大眾可以利用量子云平臺(tái)進(jìn)行體驗(yàn)、教學(xué)和科研，也可以嘗試一些實(shí)際應(yīng)用，比如量子金融、量子模擬、量子游戲等；科研機(jī)構(gòu)和高科技公司可以構(gòu)建自身的應(yīng)用軟件，而把其中需要涉及量子計(jì)算的部分通過云鏈接到實(shí)驗(yàn)室的量子計(jì)算機(jī)，完成復(fù)雜的任務(wù)。

運(yùn)行

“Quafu”目前已對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶開放測(cè)試

據(jù)了解，“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)已對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶開放測(cè)試，有2000余名量子計(jì)算研究者和學(xué)生注冊(cè)，運(yùn)行量子計(jì)算任務(wù)50余萬次，顯示其運(yùn)行穩(wěn)定高效。對(duì)于普通用戶，該系統(tǒng)免費(fèi)開放。

北青報(bào)記者在快速注冊(cè)后，進(jìn)入了這一網(wǎng)站，左側(cè)的邊欄顯示了：控制面板、編輯器、資源、任務(wù)、應(yīng)用、新聞等。點(diǎn)擊后，右側(cè)顯示該選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的界面，比如點(diǎn)擊第一個(gè)“控制面板”后，頂端就顯示出三個(gè)較大的按鈕，編輯器、文檔、PyQuafu，用戶可以點(diǎn)擊編輯器直接在線使用量子云計(jì)算平臺(tái)，也可以用文檔下載安裝后，用程序運(yùn)行這一云計(jì)算平臺(tái)。

在首頁的下方，就是“最新動(dòng)態(tài)”，它會(huì)以狀態(tài)、任務(wù)ID、系統(tǒng)名稱、隊(duì)列位、操作等多個(gè)方面，提示用戶所進(jìn)行操作的最新進(jìn)展。再下拉，還會(huì)顯示用戶的資源，包括系統(tǒng)數(shù)量和模擬器。

“Quafu”滿足了國(guó)內(nèi)科研人員和相關(guān)從業(yè)者的需求。國(guó)內(nèi)一些研究組，已經(jīng)通過“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)遠(yuǎn)程調(diào)用量子芯片，構(gòu)建各自的科研或者應(yīng)用軟件，量子計(jì)算的生態(tài)建設(shè)已逐步開展。王正安透露，“Quafu”所使用的三枚超導(dǎo)量子芯片從設(shè)計(jì)到制造全流程都是完全國(guó)產(chǎn)的，而三枚芯片的性能也為世界先進(jìn)水平。這使得“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)處于國(guó)際先進(jìn)水平，技術(shù)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

研發(fā)

量子糾纏數(shù)不斷提升迭代后已達(dá)到136比特

王正安告訴北青報(bào)記者，北京量子院已經(jīng)成立五年，取得了多項(xiàng)重量級(jí)學(xué)術(shù)成果，也積累了大量科學(xué)技術(shù)和專業(yè)人才。一年多前，“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)項(xiàng)目成立，并且專門成立了一個(gè)量子計(jì)算云平臺(tái)團(tuán)隊(duì)，總負(fù)責(zé)人是范桁研究員。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮北京量子院的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，與院內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)包括超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)、量子算法應(yīng)用軟件團(tuán)隊(duì)、量子操作系統(tǒng)軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)等展開了緊密合作，共享積累的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。很快就從無到有搭建起了“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)的雛形。參與的成員達(dá)到50人以上。

王正安說，最初，“Quafu”只有10比特、18比特和50比特的三個(gè)芯片，當(dāng)時(shí)還達(dá)不到136，隨著芯片的迭代和工藝升級(jí)，比特糾纏數(shù)也在不斷提升，目前經(jīng)過了第三代迭代，已經(jīng)可以達(dá)到136比特了，這個(gè)芯片就是北京量子院于海峰研究員和金貽榮研究員領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)所取得的成果。

在研發(fā)過程中，也遇到了不少難點(diǎn)。“我們之前一直是在實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)的，每次在做實(shí)驗(yàn)前，我們需要花很大的精力人工對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，這需要一天甚至幾天的時(shí)間。對(duì)于做實(shí)驗(yàn)這樣是沒有問題的，但是如果要提供云服務(wù)的話肯定不行，因?yàn)樗枰３?乘24小時(shí)都在線，而且運(yùn)行不能有特別大的波動(dòng)，所以說我們也自主研發(fā)了一整套自動(dòng)的校正系統(tǒng)，并且也在不斷升級(jí)中。”

在學(xué)術(shù)上也有一些難點(diǎn)需要突破。“超導(dǎo)量子芯片在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這個(gè)我們的網(wǎng)站上也有展示，可以看到量子比特之間并不是兩兩都連在一起的。如果我們要運(yùn)行的量子程序或者算法要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與芯片不符合，那么，我們就需要有一套自動(dòng)的算法去讓它進(jìn)行一個(gè)映射或者轉(zhuǎn)換，使得我們也可以滿足任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的量子程序運(yùn)行。同時(shí)，這種映射算法還要盡可能考慮到量子比特之間的差異等影響，總體是非常復(fù)雜的?！?/span>

此外，他們還需要在時(shí)間上進(jìn)行優(yōu)化，“不能在用戶提交一個(gè)量子程序后，花費(fèi)特別長(zhǎng)的時(shí)間去做優(yōu)化，這也影響用戶體驗(yàn)，因此對(duì)算法的速度有非常大的要求?！?/span>

體驗(yàn)

芯片比特?cái)?shù)量國(guó)際領(lǐng)先免費(fèi)支持相關(guān)領(lǐng)域科研

清華大學(xué)物理系的博士謝浩楠從去年7月就作為“種子用戶”體驗(yàn)“Quafu”量子云計(jì)算平臺(tái)了，他告訴北青報(bào)記者，去年春天為了完成科研課題，他開始挑選量子計(jì)算云平臺(tái)。“因?yàn)檎n題是關(guān)于量子算法的，所以我希望在論文里添加一部分內(nèi)容，能夠把我的算法放在實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)當(dāng)中運(yùn)行，來驗(yàn)證它的效果?！敝x浩楠說，他起初用了國(guó)外的量子計(jì)算云平臺(tái)，花了幾百美元使用后，發(fā)現(xiàn)芯片的運(yùn)行效果并不是特別理想，而且會(huì)受到噪聲干擾，導(dǎo)致誤差。他花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來尋找解決辦法，直到一個(gè)師兄向他推薦剛上線不久的“Quafu”。在他測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，“Quafu”平臺(tái)的量子芯片中的噪聲比較低，效果比較好，對(duì)論文的幫助非常大。

“Quafu”平臺(tái)免費(fèi)支持相關(guān)領(lǐng)域科研。謝浩楠說，起初“Quafu”僅支持通過網(wǎng)頁進(jìn)行操作，上線三個(gè)月后，不僅支持網(wǎng)頁訪問，更支持下載軟件包的方式。對(duì)于普通用戶來說，可以在網(wǎng)頁編輯量子線路的界面，通過可視化線路圖去編輯量子程序，再提交到服務(wù)器上來運(yùn)行。謝浩楠他們則更喜歡通過下載它的軟件包，通過編輯代碼來把量子程序提交到服務(wù)器上面?！拔覀冎灰獙懞昧舜a，就可以讓代碼自動(dòng)幫我們完成所有的事情，這樣更方便。”

謝浩楠的研究課題是“一種實(shí)現(xiàn)虛時(shí)演化的量子算法的設(shè)計(jì)”。他說，這就類似于量子計(jì)算當(dāng)中的一種程序設(shè)計(jì)。如果沒有平臺(tái)的話，可以用普通計(jì)算機(jī)去做數(shù)值模擬仿真，但如果有平臺(tái)，就可以在真正的量子計(jì)算機(jī)上做原理性的演示和驗(yàn)證，這樣可以使論文結(jié)果更有說服力。

“量子計(jì)算機(jī)里面是有一些噪聲的，我們?cè)诮?jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬的話，一般都是模擬理想情況，就沒辦法想象出如果有噪聲或其他干擾因素時(shí)，程序運(yùn)行結(jié)果會(huì)不會(huì)還是很好，這樣就沒有辦法對(duì)算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，也沒有辦法對(duì)算法的抗噪聲性作出改進(jìn)。”謝浩楠說，“有了這個(gè)平臺(tái)之后，我們?cè)谑褂玫倪^程中可以感受到算法在噪聲影響下的運(yùn)行是什么樣子的，從而讓我們對(duì)算法的性能有一個(gè)很好的認(rèn)識(shí)?！?/span>

除了“Quafu”，謝浩楠也使用過包括IBM量子計(jì)算云平臺(tái)在內(nèi)的其他平臺(tái)。他認(rèn)為“Quafu”平臺(tái)比特?cái)?shù)量多于其他平臺(tái)，可以做到10個(gè)、18個(gè)，甚至100多個(gè)?！斑@也就是說，如果我們想在量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較大規(guī)模的量子計(jì)算任務(wù)的話，那么需要的比特?cái)?shù)較多，這樣就只能使用‘Quafu’?！?/span>

未來

量子云計(jì)算將應(yīng)用到藥物研發(fā)、金融、物流等領(lǐng)域

王正安表示，量子云計(jì)算并不是要代替經(jīng)典云計(jì)算平臺(tái)，正如量子計(jì)算機(jī)在定位上也不是要取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是成為計(jì)算機(jī)的一個(gè)組成部分，就類似與CPU(中央處理器)與GPU(圖形處理器)的關(guān)系，可以稱之為QPU(量子處理單元)，起到加速計(jì)算的作用。所以量子云計(jì)算平臺(tái)也不可能完全脫離經(jīng)典計(jì)算機(jī)單獨(dú)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。

量子云計(jì)算的技術(shù)主要還是圍繞量子計(jì)算機(jī)展開的，另在量子線路編譯、校準(zhǔn)、糾錯(cuò)等方面有深入的研究。

量子人工智能與現(xiàn)在的人工智能并非相互替代的關(guān)系，而是用量子人工智能來輔助經(jīng)典的人工智能?！拔覀冎耙埠鸵恍┢髽I(yè)進(jìn)行了合作，其中有一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在做量子計(jì)算在金融領(lǐng)域中應(yīng)用的相關(guān)研究，在經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中引入了一部分量子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，取得了非常理想的效果。”

量子云計(jì)算應(yīng)用另一種可能的領(lǐng)域是藥物研發(fā)。使用者謝浩楠說，生命科學(xué)里面承擔(dān)生命體最主要功能的一種物質(zhì)是蛋白質(zhì)，只要能夠研究清楚各種蛋白質(zhì)的性質(zhì)，就能夠?qū)芏嗟纳顒?dòng)有更多更深入的了解。蛋白質(zhì)的功能主要是由它的分子構(gòu)型決定的，但是如果我們想從理論上計(jì)算一個(gè)分子的構(gòu)型，當(dāng)分子的規(guī)模比較大時(shí)，計(jì)算量是非常龐大的?！耙话阋粋€(gè)蛋白質(zhì)分子都是由上千個(gè)甚至上萬個(gè)原子構(gòu)成的。使用量子計(jì)算能夠?qū)ξ覀兊挠?jì)算資源進(jìn)行優(yōu)化，就可以讓計(jì)算的時(shí)間、需要的比特資源，都減少很多?！?/span>

此外，藥物研發(fā)最主要的是希望設(shè)計(jì)新的藥物分子。藥物作用到人體之后會(huì)產(chǎn)生什么樣的效果，這些化學(xué)反應(yīng)的過程都是需要計(jì)算機(jī)去模擬的。這些模擬都需要龐大的計(jì)算量，而量子計(jì)算可以對(duì)模擬過程進(jìn)行加速，對(duì)藥物研發(fā)進(jìn)程提供比較大的幫助。謝浩楠說，以往要么就在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬，但是需要的時(shí)間很久，要么就在真實(shí)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中去驗(yàn)證?！暗侨绻幸恍┧幬?，我們沒有辦法高效地制備，或者說有一些生物樣本我們沒有辦法高效地獲取，那么最好的辦法其實(shí)還是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬?！?/span>

范桁也表示，隨著人工智能的發(fā)展，對(duì)算力的要求也越來越多，量子計(jì)算也有量子算力的需求，因此，發(fā)展量子計(jì)算算力并通過云平臺(tái)來提供給大家，也是量子計(jì)算發(fā)展的一個(gè)非常重要的技術(shù)。

“整個(gè)量子計(jì)算行業(yè)發(fā)展很快，但是目前基本還是測(cè)試階段，實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)，估計(jì)至少五年后。實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景有可能較為明確，產(chǎn)生效益或者正反饋估計(jì)需要十年左右。這個(gè)過程中，主要還是集中于科研探索，或者解決某個(gè)學(xué)科中的科研問題?！狈惰旄嬖V北青報(bào)記者。

范桁也表示，下一步“Quafu”量子云平臺(tái)的發(fā)展有兩個(gè)方向：軟件和硬件?！坝布矫嬗?jì)劃上線更多芯片，單芯片數(shù)目也會(huì)一直增長(zhǎng)，同時(shí)進(jìn)行量子計(jì)算的精度也會(huì)一直提升。軟件方面，發(fā)展更多有應(yīng)用前景的軟件，開始是小規(guī)模測(cè)試，到一定階段有望解決一些價(jià)值比較小的問題，后續(xù)會(huì)有望產(chǎn)生更大的價(jià)值。如果有較多的應(yīng)用軟件都是基于我們?cè)破脚_(tái)的量子芯片，多場(chǎng)景里總會(huì)有些有價(jià)值的應(yīng)用開始出現(xiàn)，并逐步發(fā)展起來，所以軟件主要是發(fā)展基于云平臺(tái)的生態(tài)?！?/span>