普通人如何接触到真实的量子计算机？答案是“量子云”；咱中国人如何接触到真实的量子计算机？答案是“咱自己的量子云”。
撰文 | 无邪（量子计算从业者）
最近，“量子云”成为了一个科技热词。2023年5月， IBM将此前发布的433量子比特“Osprey（鱼鹰）”处理器推上量子云平台；在5月底北京举办的中关村论坛上，北京量子信息科学院（简称“北京量子院”）正式发布“Quafu”量子计算云平台，该平台由北京量子院、中国科学院物理研究所和清华大学联合研发，其中最大规模的一台量子计算系统，能提供136个相互连通的、可独立操控与测量的量子比特。
(资料图片仅供参考)
或许很多人不清楚“量子云”为何物，或者很容易联想到云计算，二者实际上是两种完全不同的事物。今天我们就来聊一下这种备受关注的量子算力共享模式——量子云。
一台超导量子计算系统
量子云是什么？
首先还是先快速介绍一下量子计算与经典计算的区别。我们现在用到的计算方式，包括电脑、手机、计算器等，都是基于二进制逻辑的，最底层的信息存储和处理单元叫作比特。一个比特可以处于0或1两种状态之一，通过电路大量的比特连接在一起，并在上面执行一系列的逻辑操作，如“与门、与非门、异或门”等等，最终去获取存储着计算结果的那一组比特的状态，这样便能进行各种各样的运算。这种计算方式我们称之为经典计算。
在这里我们看到了计算的四要素：一是信息的存算单元——比特；二是作用在比特上的一组通用逻辑门操作；三是算法，即逻辑门是如何组织并映射到比特上的；最后一个要素就是读取。量子计算同样需要具备这些要素，而在利用了量子力学的叠加和纠缠等基本原理之后，它能表现出很多经典计算所不具备的能力。
量子计算的基本信息处理单元是量子比特，它是一个最简单的量子系统——两能级系统。作为类比，我们可以分别将这两个能级标记为0和1。由于量子态的叠加性，这样一个系统可以处在0和1的叠加态，也就是说，这个量子比特可以部分是0，部分是1。这种叠加特性赋予了量子比特同时表达多种状态的能力，因此其有更强的信息编码能力。当多个量子比特连接在一起，我们可以将其纠缠在一起，这也是经典比特所不具备的能力。
对于量子比特的纠缠很难详细解释，但我们可以这样理解：纠缠的比特中，信息的表达必须当成一个整体来看，而且其维度随着比特数量的增长而指数增长，这就为计算提供了一个指数增长的编码空间，理论上能够实现指数级的计算加速能力。如果我们能找到这样一对能级（即纠缠的量子比特）并且能够不断地扩展，在这些量子比特上执行精确的量子门操作，然后能够准确地测量它们的量子态，最后能设计出好的量子算法，我们就有可能完成一些不可思议的高效计算。实际上，确有实例——著名的Shor算法，能够将大数分解问题的复杂性降低到准多项式级；在理论上，该算法可能将互联网通用的RSA密码或椭圆曲线密码在很短时间内破解掉，产生的威胁度可以说直接关系到国家安全。这也是各国大力投入对量子计算/信息产业的原因之一。
现实中，能够构建出量子比特的物理系统有很多种，可以是基于光子、电子、原子、分子、原子核、晶格缺陷等；熟悉一点量子计算的读者可能听说过超导量子计算、离子阱量子计算、半导体量子计算、光量子计算等，这些本质上就是基于不同物理体系而发展出的不同技术路线，进展状况也各不相同。目前，超导和离子阱被认为是最有前景的两种技术方案。IBM的“鱼鹰”处理器和Quafu量子计算云平台，都是基于超导方案的。
当然，不管是超导还是离子阱方案，由其开发的（量子）硬件仍处于应用示范阶段。产业的快速发展需要研发与实际应用两端协同。一方面，急需应用端提出合理的实际需求，这样能够让研发者更加精准地规划未来的研究方向和技术路线；应用端也急需在真实的量子硬件上测试并优化自己的算法，以尽快产生实际的效益。而另一方面，量子计算的技术门槛和资金投入都非常高，高品质的量子计算资源非常稀缺，无论是高校研究所从事量子算法理论研究的，还是企业从事量子技术需求探索的，都很难获取这些量子计算资源。因此，从业者需要一种开放共享机制来将研发端与应用端紧密连接起来。目前大家认为最好的方式，就是量子云平台。
P136量子云的性能与连通性视图（来源：http://quafu.baqis.ac.cn/）
量子云平台如何构建？
如果有一台经过精细校准的量子芯片测控系统，它对互联网开放了一套API，也就是应用程序接口，我们就可以通过互联网访问到这台量子测控系统，向它发送量子线路并获取返回的测量数据。如果能进一步提供一套相对完整的工具集和调度系统，帮助用户进行量子线路的编译优化，以及比特映射等，并保证大量用户可以同时访问，我们就构建出了一个量子云平台。
这里有必要了解一下什么是“量子测控系统”，以及“量子线路”。前文我们已经大致梳理了计算的几个要素：信息存储和处理单元（比特）、完备的通用逻辑门集、算法和读取。而量子测控系统就是要解决通用量子门的物理实现，以及量子态读取这两个环节，前者对应“控”，后者对应“测”。
以单比特旋转门为例，假如我们希望让某个量子比特QA上的态绕X-轴旋转180度，实际的操作是，向QA上施加一个面积精准的共振微波脉冲。这样的脉冲信号一般是通过一台室温的任意波发生器来编辑并生成的，而量子比特处在极低温，我们该怎样将这个信号精准地送到指定的比特附近呢？这就需要有一根电缆将脉冲源与QA的控制线连接起来。这听起来简单，实现起来却非常不容易，科学家和工程师不仅需要保证有足够的信号传递下去，还要保证室温的热量尽可能少得传下去，确保热噪声和其他噪声源不会顺着电缆偷偷溜到量子比特附近搞破坏。为此，一方面需要采用特殊的低温同轴电缆，另一方面则需要逐级插入各种衰减器、滤波器等器件，整个链路非常精巧。在读取方面，我们需要将极其微弱的量子信号进行逐级放大，并交给室温的采集卡来进行采集和处理。所有这些用于实现精准的量子门操控、精确的量子态读取相关的电子学、电缆、各种微波器件、样品盒等等组成的整体，就是复杂而精巧的“量子测控系统”的物理部分了。此外，测控的软件部分同样非常重要，它负责对测控设备进行高效管理、调控波形、数据处理和可视化，以及相关的工具链等等。
量子测控系统示意图丨图片来源：IBM Quantum
而量子线路，则是根据特定目的将上述的量子门和读取组织起来形成的逻辑序列。前面提到的Shor算法，本质上就是一种量子线路。不过它还比较抽象，一般需要做一些转换才能在实际的量子计算机上运行，这就要用到量子云的编译优化工具了。在一个开放的量子云上，用户可以提交各种各样的量子线路，只要符合基本规则。这种开放性质使得量子云要应对的情况，某种程度上比在实验室内进行量子实验还要复杂。
可以想象如下场景：用户直接通过网页、APP访问真实的量子计算资源，高级用户甚至可以集成到自己的应用程序中去，构建自己的量子应用。所有这些工作，都可以坐在办公室里完成，无需亲临布满线路的量子计算实验室，更无需亲自搭建仪器、调试线路——这就是实际可以使用的量子云平台。可以看到，量子云极大的降低了用户使用量子计算资源的门槛，可以让更多人在真实的量子计算机上快速验证和改进自己的想法。让更多的聪明大脑参与进来，是推动量子计算走向实用的终南捷径。
量子云竞争激烈，自主研发是关键
最早以量子云的形式推广量子计算的是IBM， 2016年他们推出了第一台5量子比特的量子云。时至今日，IBM已经推出了多达25台量子云计算平台，目前可以公开访问的系统最多包含了433个量子比特。我国从2017年开始陆续有团队探索这一模式，最早的是中国科学院量子信息与量子科技创新研究院推出的12比特量子计算云平台。目前已经多个研究机构和企业对外提供量子云服务，这次在中关村论坛上发布的Quafu量子云平台，是我国首次推出百比特以上规模的量子云，其意义实际上是非常大的。百量子比特规模的量子计算，从芯片设计、极低温线路布置、测控电子学集成，到测控软件系统构架等，复杂性都较之前大大增加了。再结合更为上层的编译、优化和云前端等软件系统设计与测试，可谓是一项系统性的量子工程挑战。
美国目前拥有最先进的量子云技术，以此为依托的量子应用生态布局也更为深入，需要注意的是，国外的量子云已经对中国进行了很大的限制，最好的、最先进的量子资源我们早已经无法访问（国内只能访问IBM推出较早、比特数较少的量子云系统）。因此，国内自主研发高质量的量子云平台，对我国量子计算技术发展和产业生态建设至关重要。IBM已上线的量子计算系统，433量子比特的鱼鹰处理器首次上线（来源：https://quantum-computing.ibm.com/）
最后，我们还应该认识到在量子云布局上国内与IBM有差距，而围绕量子云的量子计算应用生态建设更是刚刚起步，还有很长的路要走。一路上，需要更多来自不同领域的科学家、工程师和企业家携起手来一起前进。希望我国的量子计算技术能稳扎稳打，科研与产业并进，在这一颠覆性的新赛道上，走向世界之巅！
本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品：中国科协科普部
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