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(guó)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”。
撰文 | 無(wú)邪（量子計(jì)算從業(yè)者）
最近，“量子云”成為了一個(gè)科技熱詞。2023年5月， IBM將此前發(fā)布的433量子比特“Osprey（魚(yú)鷹）”處理器推上量子云平臺(tái)；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(jiǎn)稱(chēng)“北京量子院”）正式發(fā)布“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)，該平臺(tái)由北京量子院、中國(guó)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(tái)量子計(jì)算系統(tǒng)，能提供136個(gè)相互連通的、可獨(dú)立操控與測(cè)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(lái)聊一下這種備受關(guān)注的量子算力共享模式量子云。
一臺(tái)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(chǔ)和處理單元叫作比特。一個(gè)比特可以處于0或1兩種狀態(tài)之一，通過(guò)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(mén)、與非門(mén)、異或門(mén)”等等，最終去獲取存儲(chǔ)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(chēng)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(mén)操作；三是算法，即邏輯門(mén)是如何組織并映射到比特上的；最后一個(gè)要素就是讀齲量子計(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(gè)最簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)兩能級(jí)系統(tǒng)。作為類(lèi)比，我們可以分別將這兩個(gè)能級(jí)標(biāo)記為0和1。由于量子態(tài)的疊加性，這樣一個(gè)系統(tǒng)可以處在0和1的疊加態(tài)，也就是說(shuō)，這個(gè)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(shí)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(gè)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(duì)于量子比特的糾纏很難詳細(xì)解釋?zhuān)覀兛梢赃@樣理解：糾纏的比特中，信息的表達(dá)必須當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)看，而且其維度隨著比特?cái)?shù)量的增長(zhǎng)而指數(shù)增長(zhǎng)，這就為計(jì)算提供了一個(gè)指數(shù)增長(zhǎng)的編碼空間，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)指數(shù)級(jí)的計(jì)算加速能力。如果我們能找到這樣一對(duì)能級(jí)（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(mén)操作，然后能夠準(zhǔn)確地測(cè)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(wèn)題的復(fù)雜性降低到準(zhǔn)多項(xiàng)式級(jí)；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(xiàn)密碼在很短時(shí)間內(nèi)破解掉，產(chǎn)生的威脅度可以說(shuō)直接關(guān)系到國(guó)家安全。這也是各國(guó)大力投入對(duì)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(tīng)說(shuō)過(guò)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(xiàn)，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(yú)鷹”處理器和Quafu量子計(jì)算云平臺(tái)，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(kāi)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(lái)的研究方向和技術(shù)路線(xiàn)；應(yīng)用端也急需在真實(shí)的量子硬件上測(cè)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(mén)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(wú)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(kāi)放共享機(jī)制來(lái)將研發(fā)端與應(yīng)用端緊密連接起來(lái)。目前大家認(rèn)為最好的方式，就是量子云平臺(tái)。
P136量子云的性能與連通性視圖（來(lái)源：http://quafu.baqis.ac.cn/）
量子云平臺(tái)如何構(gòu)建？
如果有一臺(tái)經(jīng)過(guò)精細(xì)校準(zhǔn)的量子芯片測(cè)控系統(tǒng)，它對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放了一套API，也就是應(yīng)用程序接口，我們就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)到這臺(tái)量子測(cè)控系統(tǒng)，向它發(fā)送量子線(xiàn)路并獲取返回的測(cè)量數(shù)據(jù)。如果能進(jìn)一步提供一套相對(duì)完整的工具集和調(diào)度系統(tǒng)，幫助用戶(hù)進(jìn)行量子線(xiàn)路的編譯優(yōu)化，以及比特映射等，并保證大量用戶(hù)可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，我們就構(gòu)建出了一個(gè)量子云平臺(tái)。
這里有必要了解一下什么是“量子測(cè)控系統(tǒng)”，以及“量子線(xiàn)路”。前文我們已經(jīng)大致梳理了計(jì)算的幾個(gè)要素：信息存儲(chǔ)和處理單元（比特）、完備的通用邏輯門(mén)集、算法和讀齲而量子測(cè)控系統(tǒng)就是要解決通用量子門(mén)的物理實(shí)現(xiàn)，以及量子態(tài)讀取這兩個(gè)環(huán)節(jié)，前者對(duì)應(yīng)“控”，后者對(duì)應(yīng)“測(cè)”。
以單比特旋轉(zhuǎn)門(mén)為例，假如我們希望讓某個(gè)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(gè)面積精準(zhǔn)的共振微波脈沖。這樣的脈沖信號(hào)一般是通過(guò)一臺(tái)室溫的任意波發(fā)生器來(lái)編輯并生成的，而量子比特處在極低溫，我們?cè)撛鯓訉⑦@個(gè)信號(hào)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(xiàn)連接起來(lái)。這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(hào)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(huì)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(jí)插入各種衰減器、濾波器等器件，整個(gè)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(hào)進(jìn)行逐級(jí)放大，并交給室溫的采集卡來(lái)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(mén)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(cè)控系統(tǒng)”的物理部分了。此外，測(cè)控的軟件部分同樣非常重要，它負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)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(cè)控系統(tǒng)示意圖丨圖片來(lái)源：IBM Quantum
而量子線(xiàn)路，則是根據(jù)特定目的將上述的量子門(mén)和讀取組織起來(lái)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(xiàn)路。不過(guò)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(gè)開(kāi)放的量子云上，用戶(hù)可以提交各種各樣的量子線(xiàn)路，只要符合基本規(guī)則。這種開(kāi)放性質(zhì)使得量子云要應(yīng)對(duì)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(chǎng)景：用戶(hù)直接通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、APP訪(fǎng)問(wèn)真實(shí)的量子計(jì)算資源，高級(jí)用戶(hù)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(wú)需親臨布滿(mǎn)線(xiàn)路的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，更無(wú)需親自搭建儀器、調(diào)試線(xiàn)路這就是實(shí)際可以使用的量子云平臺(tái)。可以看到，量子云極大的降低了用戶(hù)使用量子計(jì)算資源的門(mén)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(lái)，是推動(dòng)量子計(jì)算走向?qū)嵱玫慕K南捷徑。
量子云競(jìng)爭(zhēng)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(tái)5量子比特的量子云。時(shí)至今日，IBM已經(jīng)推出了多達(dá)25臺(tái)量子云計(jì)算平臺(tái)，目前可以公開(kāi)訪(fǎng)問(wèn)的系統(tǒng)最多包含了433個(gè)量子比特。我國(guó)從2017年開(kāi)始陸續(xù)有團(tuán)隊(duì)探索這一模式，最早的是中國(guó)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(tái)。目前已經(jīng)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)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(tái)，是我國(guó)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(xiàn)路布置、測(cè)控電子學(xué)集成，到測(cè)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(cè)試，可謂是一項(xiàng)系統(tǒng)性的量子工程挑戰(zhàn)。
美國(guó)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(guó)外的量子云已經(jīng)對(duì)中國(guó)進(jìn)行了很大的限制，最好的、最先進(jìn)的量子資源我們?cè)缫呀?jīng)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)（國(guó)內(nèi)只能訪(fǎng)問(wèn)IBM推出較早、比特?cái)?shù)較少的量子云系統(tǒng)）。因此，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)高質(zhì)量的量子云平臺(tái)，對(duì)我國(guó)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(xiàn)的量子計(jì)算系統(tǒng)，433量子比特的魚(yú)鷹處理器首次上線(xiàn)（來(lái)源：
最后，我們還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在量子云布局上國(guó)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(zhǎng)的路要走。一路上，需要更多來(lái)自不同領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師和企業(yè)家攜起手來(lái)一起前進(jìn)。希望我國(guó)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！
本文受科普中國(guó)星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持
出品：中國(guó)科協(xié)科普部
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