以“云”為裳，量子計算不再“高冷” 超越經(jīng)典計算的突破路徑

9月12日，我國企業(yè)自主研發(fā)的超導量子計算云平臺正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務(wù)。

據(jù)了解，此次發(fā)布的云平臺系中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊的成果轉(zhuǎn)化企業(yè)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(fā)。本源量子董事長孔偉成博士表示，該量子云平臺基于國內(nèi)率先實現(xiàn)工程化的超導量子計算機——悟源打造，搭載了6比特超導量子芯片夸父KF C6—130，保真度、相干時間等技術(shù)指標均達到國際先進水平。

那么，量子計算云平臺是如何搭建的?它跟普通的云平臺又有何不同呢?為此，記者專門采訪了本源量子的相關(guān)專家。

超越經(jīng)典計算的突破路徑

要了解量子計算云平臺，首先要弄清楚什么是量子計算。

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

據(jù)了解，量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的計算模式，它與現(xiàn)有的經(jīng)典計算模式完全不同。經(jīng)典計算使用二進制的數(shù)字電子方式進行運算，而二進制總是處于0或1的確定狀態(tài)。量子計算則借助量子力學的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計算狀態(tài)的疊加，它不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(tài)。

“簡單來說，量子計算機就是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運行量子算法與量子軟件的新型計算設(shè)備。在處理某些特定問題上，量子計算機相對于經(jīng)典計算機具有指數(shù)級別的計算速度優(yōu)勢。即便是目前運算速度最快的超級計算機，在量子計算機面前也只能是個算盤。”本源量子公司董事長孔偉成博士告訴科技日報記者。

對比來說，在解決實際問題的過程中，CPU(中央處理器)采用“串行”計算，即將一個問題的若干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(zhí)行一些專門運算的超高速芯片)采用“并行”計算，即將一個問題拆成若干個小問題后，同時對每個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歷問題的各種可能性并找到正確答案。

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

隨著人類對于計算機算力需求的不斷提升，半導體芯片的制程技術(shù)也在不斷提高，目前已有多款5納米芯片產(chǎn)品發(fā)布。

“5納米大小相當于40個硅原子，如果硅基半導體器件尺寸繼續(xù)縮小至1納米級，那就意味著我們已經(jīng)從經(jīng)典物理學深入到了量子物理學領(lǐng)域。”孔偉成說，“在這樣的情境下，摩爾定律即將走向終結(jié)，大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的經(jīng)典計算機到此可以畫上句號。研發(fā)量子計算機，就成為了幫助人類繼續(xù)提升計算能力的新方向。”

為世界提供中國量子計算服務(wù)

顧名思義，量子計算云平臺就是提供以量子計算為核心的云服務(wù)的平臺。量子程序?qū)⒈话l(fā)送到遠程量子服務(wù)器上，在云端完成它的編譯、運行與測試調(diào)試等一系列過程，然后將結(jié)果傳回本地。

據(jù)了解，當前量子計算機仍需要嚴苛的運行環(huán)境與復雜的輔助設(shè)備，這些系統(tǒng)造價高昂，普通用戶很難接觸到。為了讓更多用戶體驗、學習、探索量子計算，國際主要的量子計算公司都開發(fā)了各自的量子云平臺，使用云技術(shù)連接用戶與真實的量子計算設(shè)備。

2016年，IBM率先研發(fā)出世界上第一個基于5位超導量子計算機的量子云平臺IBM Q Experience。目前，IBM已經(jīng)有22臺公開的量子計算機，先后有100多家企業(yè)單位和科研機構(gòu)使用了其提供的量子計算云服務(wù)。在2019年，亞馬遜、微軟先后上線了量子計算云平臺Braket與Azure Quantum。

雖然起步較晚，但此次我國企業(yè)自主研發(fā)的量子計算云平臺同IBM的產(chǎn)品性能相差無幾。據(jù)本源量子的官方數(shù)據(jù)顯示，對比2017年、2020年IBM量子云平臺上公布的量子邏輯門保證度和量子讀取保證度等數(shù)據(jù)，本源量子公司此次推出的量子計算云平臺目前的水平甚至能夠超過IBM最初建立的云平臺水平。

孔偉成告訴記者，為滿足不同用戶的開發(fā)需求，平臺提供了圖形化編程與代碼編程兩種量子計算在線編程方式，同時推出了復雜網(wǎng)絡(luò)排序、手寫數(shù)字識別、用戶偏好行為預測3款典型的量子編程應(yīng)用，供用戶使用。

“這3款應(yīng)用基于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(fā)的量子編程框架QPanda與量子編程語言QRunes開發(fā)的。”孔偉成告訴記者，復雜網(wǎng)絡(luò)排序應(yīng)用可對給定的網(wǎng)絡(luò)進行建模，例如為預測病毒的下一個傳播點提供重要參考，幫助各地更為高效地分配防疫物資與醫(yī)療資源;而手寫數(shù)字識別應(yīng)用在AI領(lǐng)域占有舉足輕重的分量，為后續(xù)加速計算機視覺量子化處理提供了可能;用戶偏好行為預測應(yīng)用則能夠?qū)崿F(xiàn)量子關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘算法,將用戶數(shù)據(jù)編碼到量子疊加態(tài)上，并基于此給出用戶偏好預測，相較于經(jīng)典算法可以達到指數(shù)級的加速效果。

從歷史的維度來看，本次量子計算云平臺的推出，意味著我國的量子計算機正走出實驗室?？讉コ杀硎?，量子計算走出實驗室分為兩個階段，第一個階段是從科學研究到工程實現(xiàn)，第二個階段是從工程實現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)落地的過渡，量子云平臺的公布，意味著量子計算已經(jīng)從成熟度較低的科研范疇過渡到技術(shù)成熟度更高的工程實現(xiàn)階段。

將成量子計算爭奪的主戰(zhàn)場

“從目前的研究來看，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(lǐng)域發(fā)揮重大作用。”孔偉成舉例說，在一些有巨大算力需求的傳統(tǒng)行業(yè)，如生物制藥、化工、能源等，以現(xiàn)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(yè)，也將會是量子計算實現(xiàn)商用的領(lǐng)域，例如搜索、數(shù)字安全、人工智能、機器學習等等。

據(jù)波士頓咨詢發(fā)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(yīng)用市場規(guī)模將達到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元;若量子計算技術(shù)迭代速度超出預期，2035年市場規(guī)?？赏黄?00億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

在此背景下，量子計算云平臺依托互聯(lián)網(wǎng)資源，為各類用戶提供云端接入，對量子計算資源和成果進行開放共享，并提供各種基于量子計算的衍生服務(wù)，可提前釋放量子計算的潛力，進而促進量子計算產(chǎn)業(yè)提前布局與生態(tài)的良性培養(yǎng)。

國外云計算企業(yè)在量子云計算方面的競爭開始加劇。如IBM推出20量子比特的量子云服務(wù)器，提供了完善的QiKit量子程序開發(fā)套件，并建立了完善的開源社區(qū)服務(wù)。谷歌發(fā)布了72量子比特計算機Bristlecone，開發(fā)了Cirq量子開源框架，提供了量子化學材料計算的OpenFermion-Cirq用例。

與此同時，國內(nèi)量子云服務(wù)公司的發(fā)展也呈現(xiàn)出蓬勃態(tài)勢。除本源量子公司推出量子云計算平臺外，中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與阿里云在超導量子計算方向發(fā)布了11量子比特的云接入超導量子計算服務(wù)。華為也已經(jīng)發(fā)布了HiQ量子計算云服務(wù)平臺和兼容ProjectQ量子編程框架。

目前量子計算云平臺從物理底層、計算引擎、應(yīng)用軟件開發(fā)到上層應(yīng)用已經(jīng)具備生態(tài)雛形。在量子計算云平臺上培養(yǎng)研究者和用戶的操作習慣，引導諸多行業(yè)對量子計算的應(yīng)用傾向，將為以后計算領(lǐng)域的內(nèi)核升級奠定生態(tài)基礎(chǔ)，可以預見，未來量子計算云平臺勢必會成為量子計算爭奪的主戰(zhàn)場。(記者 吳長鋒)