如果把兩個幾百位的質數乘起來，得到一個幾萬位的超大數字，我們用家裡的經典計算機就可以做到；但如果把這個幾萬位的超大數字，讓計算機分解成2個質數，那麼，經典計算機就會“懵了”。但是，量子計算機可以做到。
這就是量子計算。實際上，當兩個或更多量子糾纏，它們會産生更多更奇妙的量子效應，利用量子的特性，可以用來給銀行系統加密、實作計算物流外賣的最優路線、輔助藥物研發等等。而在量子雲平台上，使用者無需擁有一台量子計算機，也可以使用到量子計算的算力。
5月26日，北京量子資訊科學研究院在2023中關村論壇正式釋出“Quafu”量子計算雲平台，成為十項重大科技成果之一。這一全鍊條（全棧式）自研的量子計算雲平台搭載三枚自研超導量子晶片，單晶片最大比特數達到136，同時測控精度高，最高可以實作18量子比特的全局糾纏，目前這一計算性能已達國際先進水準。
目前，量子計算雲平台已在包括金融等領域初步應用測試，今後有望在物流、材料、機器學習、藥物研發、保密通信等更多領域開展實際應用。
中關村論壇Quafu量子計算雲平台展台
重磅
量子計算雲平台釋出 可實作18量子比特全局糾纏
量子計算雲平台是量子計算綜合性能的展示，以網際網路雲計算的形式，整合了量子晶片、測控裝置、量子作業系統和應用軟體為一體，将量子算力提供給研究及測試者，是量子計算走向實用化的全棧式技術和基礎。
北京量子資訊科學研究院聯合中科院實體研究所和清華大學，共同推出了“Quafu”量子計算雲平台，取意“量子未來”, 現上線了三個超導量子晶片，三個晶片分别有136,18和10個量子比特，使用者可以自主選擇合适的晶片運作量子計算任務。
雲平台相容國際通用的開放量子彙編語言标準，提供了圖形界面、量子彙編語言和用戶端三種送出量子計算任務的形式，友善使用者多種應用需求。
據中科院實體所研究員、北京量子院量子計算雲平台團隊負責人範桁介紹，目前“Quafu”量子計算雲平台在單晶片量子比特數和晶片數量上都處于國内領先地位。雲平台測控精度高，可實作18量子比特的全局糾纏，軟體功能齊全，是國際先進的量子計算雲平台。
18量子比特的全局糾纏意味着什麼？“Quafu”團隊創始成員、北京量子資訊科學研究院博後王正安告訴北青報記者，量子計算的主要性能名額是單枚量子晶片上的量子比特數，”Quafu”目前最大的晶片“ScQ-P136”擁有136個量子比特，在世界範圍内僅次于IBM的Osprey晶片，位列第二。
“量子糾纏”是量子特有的一種性質，也是量子計算優勢的重要原因之一，“我們可以把量子糾纏了解為一種計算資源，要操控多個量子比特同時實作糾纏非常不容易，”Quafu”量子計算雲平台在雲端能夠實作18量子比特的全局糾纏，這個在國際上也是達到了先進水準。”王正安解釋稱。
量子雲平台是量子計算機走向應用的關鍵技術，建設量子計算的生态就是基于此系統。大衆可以利用量子雲平台進行體驗、教學和科研，也可以嘗試一些實際應用，比如量子金融、量子模拟、量子遊戲等等；科研機構和高科技公司可以建構自身的應用軟體，而把其中需要涉及量子計算的部分通過雲連結到實驗室的量子計算機，完成複雜的任務。
揭秘
量子雲平台到底啥樣？國産化背後還有故事
據了解，“Quafu”量子計算雲平台已對國内外使用者開放測試，有2000餘名量子計算研究者和學生注冊，運作量子計算任務50餘萬次，顯示其運作穩定高效。對于普通使用者，該系統也完全免費開放，使用者可以自己注冊，去看一看量子雲平台到底什麼樣。
北青報記者在快速注冊後，進入了這一網站，左側的邊欄顯示了：控制台、編輯器、資源、任務、應用、新聞等。點選後，右側顯示該選項對應的界面，比如點選第一個“控制台”後，頂端就顯示出了三個較大的按鈕，編輯器、文檔、PyQuafu，使用者可以點選編輯器直接線上使用量子雲計算平台，也可以用文檔下載下傳安裝後，用程式運作這一雲計算平台。
在首頁的下方，就是“最新動态”，它會以狀态、任務ID、系統名稱、隊列位、操作等多個方面，提示使用者所進行的操作的最新進展。再下拉，還會顯示使用者的資源，包括系統數量和模拟器。
整體而言，毫無量子知識儲備的普通使用者還是比較難以看懂和操作這一平台，不過，在從業測試者的眼中，這一平台因其“可視化”界面，已經十分好用了。國内一些研究組，已經通過“Quafu”量子計算雲平台遠端調用量子晶片，建構各自的科研或者應用軟體，量子計算的生态建設已逐漸開展。
Quafu量子雲計算團隊成員在稀釋制冷機裡布線來控制量子晶片
2022年，國際先進量子雲計算平台“IBM量子計算雲平台”禁止來自中國大陸的使用者通路。 “Quafu”正好在此時出現，滿足了國内科研人員和相關從業者的需求。”實際上，量子計算雲平台是量子計算的關鍵技術，國際競争激烈，國際科研機構和科技公司都把量子雲平台作為重要的發展方向，包括傳統的晶片公司和雲計算公司都涉及此方向，盡早發展具有全鍊條自主知識産權的量子計算雲平台非常必要。
王正安透露，“Quafu”所使用的三枚超導量子晶片從設計到制造全流程都是完全國産的，而三枚晶片的性能也為世界先進水準。這使得”Quafu”量子計算雲平台處于國際先進水準，技術上已經可以實作國産替代。
講述
量子糾纏數不斷提升 疊代後已達到136比特
王正安告訴北青報記者，北京量子院已經成立5年，取得了多項重量級學術成果，也積累了大量科學技術和專業人才。一年多前，“Quafu”量子計算雲平台項目成立，并且專門成立了一個量子計算雲平台團隊，總負責人是範桁研究員。同時，團隊充分發揮北京量子院的區位優勢，與院内多個團隊包括超導量子計算團隊、量子算法應用軟體團隊、量子作業系統軟體研發團隊等展開了緊密合作，共享積累的技術與經驗。很快就從無到有搭建起了“Quafu”量子計算雲平台的雛形。參與的成員達到50人以上。
王正安說，最初，“Quafu”隻有10比特、18比特和50比特的三個晶片，當時還達不到136，随着晶片的疊代和工藝更新，比特糾纏數也在不斷提升，目前經過了第三代疊代，已經可以達到136比特了，這個晶片就是北京量子院于海峰研究員和金贻榮研究員上司的超導量子計算團隊所取得的成果。
在研發過程中，也遇到了不少難點。“我們之前一直是在實驗室裡做實驗的，每次在做實驗前，我們需要花很大的精力人工對所有裝置進行校準，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，但是如果要提供雲服務的話肯定不行，因為它需要保持7乘24小時都線上，而且運作不能有特别大的波動，是以說我們也自研開發了一整套自動的校正的系統，并且也在不斷更新中。
在學術上也有一些難點需要突破。“超導量子晶片在設計時就考慮有不同拓撲結構，這個我們的網站上也有展示，可以看到量子比特之間并不是兩兩都連在一起的。如果我們要運作的量子程式或者算法要求的拓撲結構與晶片不符合。那麼，我們就需要有一套自動的算法去讓它進行一個映射或者轉換，使得我們也可以滿足任意拓撲結構的量子程式的運作。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，總體是非常複雜的。”
此外，他們還需要在時間上進行優化，“不能在使用者送出一個的量子程式後，花費特别長的時間去做優化，這也影響使用者體驗，是以對算法的速度有非常大的要求。”
顯微鏡下的136比特的晶片 本文供圖：北京量子院
使用者
Quafu晶片比特數量國際領先 免費支援相關領域科研
清華大學實體系的博士謝浩楠從去年7月就作為“種子使用者”體驗‘Quafu’量子雲計算平台了，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雲平台。“因為課題是關于量子算法的，是以我希望在論文裡添加一部分内容，能夠把我的算法放在實際的量子計算機當中運作，來驗證它的效果。” 謝浩楠說，他起初用了國外的量子計算雲平台，花了幾百美元使用後，發現晶片的運作效果并不是特别理想，而且會受到噪聲幹擾，導緻誤差。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”。在他測試後發現，“Quafu平台的量子晶片中的噪聲比較低，效果比較好，對論文的幫助非常大。
謝浩楠說，起初“Quafu”僅支援通過網頁進行操作，上線三個月後，不僅支援網頁通路，更支援下載下傳軟體包的方式。對于普通使用者來說，可以在網頁的編輯量子線路的界面，通過可視化線路圖去編輯量子程式，再送出到伺服器上來運作。而謝浩楠他們則更喜歡通過下載下傳它的軟體包，通過編輯代碼來把量子程式送出到伺服器上面。“我們隻要寫好了代碼，就可以讓代碼自動幫我們完成所有的事情，這樣更友善。”
謝浩楠的研究課題是“一種實作虛時演化的量子算法的設計”他說，這就類似于量子計算當中的一種程式設計。如果沒有平台的話，可以用普通計算機去做數值模拟仿真，但如果有平台，就可以在真正的量子計算機上做原理性的示範和驗證，這樣可以使論文結果更有說服力。
“量子計算機裡面是有一些噪聲的，我們在經典計算機上模拟的話，一般都是模拟理想情況，就沒辦法想象出如果有噪聲或其他幹擾因素時，程式運作結果會不會還是很好，這樣就沒有辦法對算法的優缺點進行評估，也沒有辦法對算法的抗噪聲性做出改進。”謝浩楠說，“有了這個平台之後，我們在使用的過程中可以感受到算法在噪聲影響下的運作是什麼樣子的，進而讓我們對算法的性能有一個很好的認識。”
除了”Quafu”，謝浩楠也使用過包括IBM量子計算雲平台在内的其他平台。他認為“Quafu”平台比特數量是多于其他平台，可以做到10個、18個，甚至100多個。“這也就是說，如果我們想在量子計算機上實作一個比較大規模的量子計算任務的話，那麼需要的比特數較多，這樣就隻能使用‘Quafu’。”
未來
藥物研發金融物流 量子雲計算将應用在這些領域
王正安表示，量子雲計算并不是要代替經典雲計算平台，正如量子計算機在定位上也不是要取代經典計算機，而是成為計算機的一個組成部分，就類似與CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）的關系，可以稱之為QPU（量子處理單元），起到加速計算的作用。是以量子雲計算平台也不可能完全脫離經典計算機單獨執行計算任務。
目前的量子計算機主要通過網絡接口的方式與使用者本地的計算機連接配接，當程式中需要用到量子計算來加速時，可随時調用QPU資源。是以量子雲計算的技術主要還是圍繞量子計算機展開的，另在量子線路編譯、校準、糾錯等方面有深入的研究。
王正安還介紹，現在量子人工智能也有了許多突破。其實作在很多研究者已經在量子版本的神經網絡中有了許多突破，這相比于現在經典的人工智能相當于又更進一步。
不過，他也解釋說，量子人工智能與現在的人工智能并非互相替代的關系，而是用量子人工智能來輔助經典的人工智能。“比如我們之前也和一些企業進行了合作，其中有一個團隊正在做量子計算在金融領域中應用的相關研究，在我們的支援下，在經典神經網絡模型中引入了一部分量子的神經網絡，取得了非常理想的效果。”
另一種可能的領域是藥物研發。使用者謝浩楠說，生命科學裡面承擔生命體的最主要功能的一種物質是蛋白質，隻要能夠研究清楚各種蛋白質的性質，就能夠對很多的生命活動有更多更深入的了解。蛋白質的功能主要是由它的分子構型決定的，但是如果我們想從理論上計算一個分子的構型，當分子的規模比較大時，計算量是非常龐大的。“一般一個蛋白質分子都是由上千個甚至上萬個原子構成的。使用量子計算能夠對我們的計算資源進行優化，就可以讓計算的時間、需要的比特資源，都能夠減少很多。”
此外，藥物研發最主要的是希望設計新的藥物分子。藥物作用到人體之後會産生什麼樣的效果，這些化學反應的過程都是需要計算機去模拟的。這些模拟都需要龐大的計算量，而量子計算可以對模拟過程進行加速，對藥物研發程序提供比較大的幫助。謝浩楠說，以往要麼就在經典計算機上模拟，但是需要的時間很久，要麼就在真實的生物化學實驗中去驗證。“但是如果有一些藥物，如果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擷取，那麼最好的辦法其實還是在計算機上進行模拟。”
範桁也表示，随着人工智能的發展，對算力的要求也越來越多，量子計算也有量子算力的需求，是以，發展量子計算算力并通過雲平台來提供給大家，也是量子計算發展的一個非常重要的技術。
“整個量子計算行業發展很快，但是現階段大家基本還是測試階段，實際應用還很遠，估計至少5年後。實際應用的場景有可能較為明确，産生效益或者正回報估計需要10年左右時間。這個過程中，主要還是集中于科研探索，或者解決某個學科中的科研問題。”範桁告訴北青報記者。
範桁也表示，下一步“Quafu”量子雲平台的發展有兩個方向：軟體和硬體。“硬體方面計劃上線更多晶片，單晶片數目也會一直增長，同時進行量子計算的精度也會一直提升。軟體方面，發展更多有應用前景的軟體，開始是小規模測試，到一定階段有望解決一些價值比較小的問題，後續會有望産生更大的價值。如果有較多的應用軟體都是基于我們雲平台的量子晶片，多場景裡總會有些有價值的應用開始出現，并逐漸發展起來，是以軟體主要是發展基于雲平台的生态。”
文/北京青年報記者 溫婧
編輯/田野
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