“Quafu”量子計算云平臺的用戶界面

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”量子計算云平臺，成為十項重大科技成果之一。這一全鏈條(全棧式)自研的量子計算云平臺搭載三枚自研超導(dǎo)量子芯片，單芯片最大比特數(shù)達(dá)到136，同時測控精度高，最高可以實現(xiàn)18量子比特的全局糾纏，目前這一計算性能已達(dá)國際先進(jìn)水平。目前，量子計算云平臺已在包括金融等領(lǐng)域初步應(yīng)用測試，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)域開展實際應(yīng)用。

(資料圖片)

發(fā)布

量子計算云平臺上線三個不同規(guī)格超導(dǎo)量子芯片

量子計算云平臺是量子計算綜合性能的展示，以互聯(lián)網(wǎng)云計算的形式，整合量子芯片、測控設(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試者，是量子計算走向?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”量子計算云平臺，取意“量子未來”，上線三個超導(dǎo)量子芯片，三個芯片分別有136、18和10個量子比特，用戶可以自主選擇合適的芯片運行量子計算任務(wù)。

云平臺兼容國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、北京量子院量子計算云平臺團(tuán)隊負(fù)責(zé)人范桁介紹，目前“Quafu”量子計算云平臺在單芯片量子比特數(shù)和芯片數(shù)量上都處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。云平臺測控精度高，可實現(xiàn)18量子比特的全局糾纏，軟件功能齊全，是國際先進(jìn)的量子計算云平臺。

18量子比特的全局糾纏意味著什么？“Quafu”團(tuán)隊創(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記者，量子計算的主要性能指標(biāo)是單枚量子芯片上的量子比特數(shù)，“Quafu”目前最大的芯片“ScQ-P136”擁有136個量子比特，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)，也是量子計算優(yōu)勢的重要原因之一，“我們可以把量子糾纏理解為一種計算資源，要操控多個量子比特同時實現(xiàn)糾纏非常不容易，‘Quafu’量子計算云平臺在云端能夠?qū)崿F(xiàn)18量子比特的全局糾纏，這個在國際上也是達(dá)到了先進(jìn)水平。”王正安解釋稱。

量子云平臺是量子計算機(jī)走向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)量子計算的生態(tài)就是基于此系統(tǒng)。大眾可以利用量子云平臺進(jìn)行體驗、教學(xué)和科研，也可以嘗試一些實際應(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算的部分通過云鏈接到實驗室的量子計算機(jī)，完成復(fù)雜的任務(wù)。

運行

“Quafu”目前已對國內(nèi)外用戶開放測試

據(jù)了解，“Quafu”量子計算云平臺已對國內(nèi)外用戶開放測試，有2000余名量子計算研究者和學(xué)生注冊，運行量子計算任務(wù)50余萬次，顯示其運行穩(wěn)定高效。對于普通用戶，該系統(tǒng)免費開放。

北青報記者在快速注冊后，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。點擊后，右側(cè)顯示該選項對應(yīng)的界面，比如點擊第一個“控制面板”后，頂端就顯示出三個較大的按鈕，編輯器、文檔、PyQuafu，用戶可以點擊編輯器直接在線使用量子云計算平臺，也可以用文檔下載安裝后，用程序運行這一云計算平臺。

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

“Quafu”滿足了國內(nèi)科研人員和相關(guān)從業(yè)者的需求。國內(nèi)一些研究組，已經(jīng)通過“Quafu”量子計算云平臺遠(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)計到制造全流程都是完全國產(chǎn)的，而三枚芯片的性能也為世界先進(jìn)水平。這使得“Quafu”量子計算云平臺處于國際先進(jìn)水平，技術(shù)上已經(jīng)可以實現(xiàn)國產(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

王正安告訴北青報記者，北京量子院已經(jīng)成立五年，取得了多項重量級學(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”量子計算云平臺項目成立，并且專門成立了一個量子計算云平臺團(tuán)隊，總負(fù)責(zé)人是范桁研究員。同時，團(tuán)隊充分發(fā)揮北京量子院的區(qū)位優(yōu)勢，與院內(nèi)多個團(tuán)隊包括超導(dǎo)量子計算團(tuán)隊、量子算法應(yīng)用軟件團(tuán)隊、量子操作系統(tǒng)軟件研發(fā)團(tuán)隊等展開了緊密合作，共享積累的技術(shù)與經(jīng)驗。很快就從無到有搭建起了“Quafu”量子計算云平臺的雛形。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比特的三個芯片，當(dāng)時還達(dá)不到136，隨著芯片的迭代和工藝升級，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)量子計算團(tuán)隊所取得的成果。

在研發(fā)過程中，也遇到了不少難點?！拔覀冎耙恢笔窃趯嶒炇依镒鰧嶒灥模看卧谧鰧嶒炃?，我們需要花很大的精力人工對所有設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，這需要一天甚至幾天的時間。對于做實驗這樣是沒有問題的，但是如果要提供云服務(wù)的話肯定不行，因為它需要保持7乘24小時都在線，而且運行不能有特別大的波動，所以說我們也自主研發(fā)了一整套自動的校正系統(tǒng)，并且也在不斷升級中。”

在學(xué)術(shù)上也有一些難點需要突破?！俺瑢?dǎo)量子芯片在設(shè)計時就考慮有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這個我們的網(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的算法去讓它進(jìn)行一個映射或者轉(zhuǎn)換，使得我們也可以滿足任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的量子程序運行。同時，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。”

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

體驗

芯片比特數(shù)量國際領(lǐng)先免費支持相關(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“Quafu”量子云計算平臺了，他告訴北青報記者，去年春天為了完成科研課題，他開始挑選量子計算云平臺?！耙驗檎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際的量子計算機(jī)當(dāng)中運行，來驗證它的效果。”謝浩楠說，他起初用了國外的量子計算云平臺，花了幾百美元使用后，發(fā)現(xiàn)芯片的運行效果并不是特別理想，而且會受到噪聲干擾，導(dǎo)致誤差。他花費很長時間來尋找解決辦法，直到一個師兄向他推薦剛上線不久的“Quafu”。在他測試后發(fā)現(xiàn)，“Quafu”平臺的量子芯片中的噪聲比較低，效果比較好，對論文的幫助非常大。

“Quafu”平臺免費支持相關(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，上線三個月后，不僅支持網(wǎng)頁訪問，更支持下載軟件包的方式。對于普通用戶來說，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，就可以讓代碼自動幫我們完成所有的事情，這樣更方便?！?/p>

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

“量子計算機(jī)里面是有一些噪聲的，我們在經(jīng)典計算機(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，程序運行結(jié)果會不會還是很好，這樣就沒有辦法對算法的優(yōu)缺點進(jìn)行評估，也沒有辦法對算法的抗噪聲性作出改進(jìn)?！敝x浩楠說，“有了這個平臺之后，我們在使用的過程中可以感受到算法在噪聲影響下的運行是什么樣子的，從而讓我們對算法的性能有一個很好的認(rèn)識。”

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

未來

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

王正安表示，量子云計算并不是要代替經(jīng)典云計算平臺，正如量子計算機(jī)在定位上也不是要取代經(jīng)典計算機(jī)，而是成為計算機(jī)的一個組成部分，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)，起到加速計算的作用。所以量子云計算平臺也不可能完全脫離經(jīng)典計算機(jī)單獨執(zhí)行計算任務(wù)。

量子云計算的技術(shù)主要還是圍繞量子計算機(jī)展開的，另在量子線路編譯、校準(zhǔn)、糾錯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，其中有一個團(tuán)隊正在做量子計算在金融領(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?！?/p>

量子云計算應(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顒佑懈喔钊氲牧私?。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算一個分子的構(gòu)型，當(dāng)分子的規(guī)模比較大時，計算量是非常龐大的?！耙话阋粋€蛋白質(zhì)分子都是由上千個甚至上萬個原子構(gòu)成的。使用量子計算能夠?qū)ξ覀兊挠嬎阗Y源進(jìn)行優(yōu)化，就可以讓計算的時間、需要的比特資源，都減少很多。”

此外，藥物研發(fā)最主要的是希望設(shè)計新的藥物分子。藥物作用到人體之后會產(chǎn)生什么樣的效果，這些化學(xué)反應(yīng)的過程都是需要計算機(jī)去模擬的。這些模擬都需要龐大的計算量，而量子計算可以對模擬過程進(jìn)行加速，對藥物研發(fā)進(jìn)程提供比較大的幫助。謝浩楠說，以往要么就在經(jīng)典計算機(jī)上模擬，但是需要的時間很久，要么就在真實的生物化學(xué)實驗中去驗證?！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還是在計算機(jī)上進(jìn)行模擬?！?/p>

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

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

范桁也表示，下一步“Quafu”量子云平臺的發(fā)展有兩個方向：軟件和硬件?！坝布矫嬗媱澤暇€更多芯片，單芯片數(shù)目也會一直增長，同時進(jìn)行量子計算的精度也會一直提升。軟件方面，發(fā)展更多有應(yīng)用前景的軟件，開始是小規(guī)模測試，到一定階段有望解決一些價值比較小的問題，后續(xù)會有望產(chǎn)生更大的價值。如果有較多的應(yīng)用軟件都是基于我們云平臺的量子芯片，多場景里總會有些有價值的應(yīng)用開始出現(xiàn)，并逐步發(fā)展起來，所以軟件主要是發(fā)展基于云平臺的生態(tài)。”

本版文/本報記者 溫婧(來源：北京青年報)

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