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        普通人如何用上量子計算機?
        2023-06-19

        普通人如何接觸到真實的量子計算機?答案是“量子云”;咱中國人如何接觸到真實的量子計算機?答案是“咱自己的量子云”。

        撰文 | 無邪(量子計算從業者)

        最近,“量子云”成為了一個科技熱詞。2023年5月, IBM將此前發布的433量子比特“Osprey(魚鷹)”處理器推上量子云平臺;在5月底北京舉辦的中關村論壇上,北京量子信息科學院(簡稱“北京量子院”)正式發布“Quafu”量子計算云平臺,該平臺由北京量子院、中國科學院物理研究所和清華大學聯合研發,其中最大規模的一臺量子計算系統,能提供136個相互連通的、可獨立操控與測量的量子比特。

        或許很多人不清楚“量子云”為何物,或者很容易聯想到云計算,二者實際上是兩種完全不同的事物。今天我們就來聊一下這種備受關注的量子算力共享模式——量子云。

        一臺超導量子計算系統

        量子云是什么?

        首先還是先快速介紹一下量子計算與經典計算的區別。我們現在用到的計算方式,包括電腦、手機、計算器等,都是基于二進制邏輯的,最底層的信息存儲和處理單元叫作比特。一個比特可以處于0或1兩種狀態之一,通過電路大量的比特連接在一起,并在上面執行一系列的邏輯操作,如“與門、與非門、異或門”等等,最終去獲取存儲著計算結果的那一組比特的狀態,這樣便能進行各種各樣的運算。這種計算方式我們稱之為經典計算。

        在這里我們看到了計算的四要素: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操作;三是算法,即邏輯門是如何組織并映射到比特上的;最后一個要素就是讀取。量子計算同樣需要具備這些要素,而在利用了量子力學的疊加和糾纏等基本原理之后,它能表現出很多經典計算所不具備的能力。

        量子計算的基本信息處理單元是量子比特,它是一個最簡單的量子系統——兩能級系統。作為類比,我們可以分別將這兩個能級標記為0和1。由于量子態的疊加性,這樣一個系統可以處在0和1的疊加態,也就是說,這個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表達多種狀態的能力,因此其有更強的信息編碼能力。當多個量子比特連接在一起,我們可以將其糾纏在一起,這也是經典比特所不具備的能力。

        對于量子比特的糾纏很難詳細解釋,但我們可以這樣理解:糾纏的比特中,信息的表達必須當成一個整體來看,而且其維度隨著比特數量的增長而指數增長,這就為計算提供了一個指數增長的編碼空間,理論上能夠實現指數級的計算加速能力。如果我們能找到這樣一對能級(即糾纏的量子比特)并且能夠不斷地擴展,在這些量子比特上執行精確的量子門操作,然后能夠準確地測量它們的量子態,最后能設計出好的量子算法,我們就有可能完成一些不可思議的高效計算。實際上,確有實例——著名的Shor算法,能夠將大數分解問題的復雜性降低到準多項式級;在理論上,該算法可能將互聯網通用的RSA密碼或橢圓曲線密碼在很短時間內破解掉,產生的威脅度可以說直接關系到國家安全。這也是各國大力投入對量子計算/信息產業的原因之一。

        現實中,能夠構建出量子比特的物理系統有很多種,可以是基于光子、電子、原子、分子、原子核、晶格缺陷等;熟悉一點量子計算的讀者可能聽說過超導量子計算、離子阱量子計算、半導體量子計算、光量子計算等,這些本質上就是基于不同物理體系而發展出的不同技術路線,進展狀況也各不相同。目前,超導和離子阱被認為是最有前景的兩種技術方案。IBM的“魚鷹”處理器和Quafu量子計算云平臺,都是基于超導方案的。

        當然,不管是超導還是離子阱方案,由其開發的(量子)硬件仍處于應用示范階段。產業的快速發展需要研發與實際應用兩端協同。一方面,急需應用端提出合理的實際需求,這樣能夠讓研發者更加精準地規劃未來的研究方向和技術路線;應用端也急需在真實的量子硬件上測試并優化自己的算法,以盡快產生實際的效益。而另一方面,量子計算的技術門檻和資金投入都非常高,高品質的量子計算資源非常稀缺,無論是高校研究所從事量子算法理論研究的,還是企業從事量子技術需求探索的,都很難獲取這些量子計算資源。因此,從業者需要一種開放共享機制來將研發端與應用端緊密連接起來。目前大家認為最好的方式,就是量子云平臺。

        P136量子云的性能與連通性視圖(來源:http://quafu.baqis.ac.cn/)

        量子云平臺如何構建?

        如果有一臺經過精細校準的量子芯片測控系統,它對互聯網開放了一套API,也就是應用程序接口,我們就可以通過互聯網訪問到這臺量子測控系統,向它發送量子線路并獲取返回的測量數據。如果能進一步提供一套相對完整的工具集和調度系統,幫助用戶進行量子線路的編譯優化,以及比特映射等,并保證大量用戶可以同時訪問,我們就構建出了一個量子云平臺。

        這里有必要了解一下什么是“量子測控系統”,以及“量子線路”。前文我們已經大致梳理了計算的幾個要素:信息存儲和處理單元(比特)、完備的通用邏輯門集、算法和讀取。而量子測控系統就是要解決通用量子門的物理實現,以及量子態讀取這兩個環節,前者對應“控”,后者對應“測”。

        以單比特旋轉門為例,假如我們希望讓某個量子比特QA上的態繞X-軸旋轉180度,實際的操作是,向QA上施加一個面積精準的共振微波脈沖。這樣的脈沖信號一般是通過一臺室溫的任意波發生器來編輯并生成的,而量子比特處在極低溫,我們該怎樣將這個信號精準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的控制線連接起來。這聽起來簡單,實現起來卻非常不容易,科學家和工程師不僅需要保證有足夠的信號傳遞下去,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插入各種衰減器、濾波器等器件,整個鏈路非常精巧。在讀取方面,我們需要將極其微弱的量子信號進行逐級放大,并交給室溫的采集卡來進行采集和處理。所有這些用于實現精準的量子門操控、精確的量子態讀取相關的電子學、電纜、各種微波器件、樣品盒等等組成的整體,就是復雜而精巧的“量子測控系統”的物理部分了。此外,測控的軟件部分同樣非常重要,它負責對測控設備進行高效管理、調控波形、數據處理和可視化,以及相關的工具鏈等等。

        量子測控系統示意圖丨圖片來源:IBM Quantum

        而量子線路,則是根據特定目的將上述的量子門和讀取組織起來形成的邏輯序列。前面提到的Shor算法,本質上就是一種量子線路。不過它還比較抽象,一般需要做一些轉換才能在實際的量子計算機上運行,這就要用到量子云的編譯優化工具了。在一個開放的量子云上,用戶可以提交各種各樣的量子線路,只要符合基本規則。這種開放性質使得量子云要應對的情況,某種程度上比在實驗室內進行量子實驗還要復雜。

        可以想象如下場景:用戶直接通過網頁、APP訪問真實的量子計算資源,高級用戶甚至可以集成到自己的應用程序中去,構建自己的量子應用。所有這些工作,都可以坐在辦公室里完成,無需親臨布滿線路的量子計算實驗室,更無需親自搭建儀器、調試線路——這就是實際可以使用的量子云平臺??梢钥吹?,量子云極大的降低了用戶使用量子計算資源的門檻,可以讓更多人在真實的量子計算機上快速驗證和改進自己的想法。讓更多的聰明大腦參與進來,是推動量子計算走向實用的終南捷徑。

        量子云競爭激烈,自主研發是關鍵

        最早以量子云的形式推廣量子計算的是IBM, 2016年他們推出了第一臺5量子比特的量子云。時至今日,IBM已經推出了多達25臺量子云計算平臺,目前可以公開訪問的系統最多包含了433個量子比特。我國從2017年開始陸續有團隊探索這一模式,最早的是中國科學院量子信息與量子科技創新研究院推出的12比特量子計算云平臺。目前已經多個研究機構和企業對外提供量子云服務,這次在中關村論壇上發布的Quafu量子云平臺,是我國首次推出百比特以上規模的量子云,其意義實際上是非常大的。百量子比特規模的量子計算,從芯片設計、極低溫線路布置、測控電子學集成,到測控軟件系統構架等,復雜性都較之前大大增加了。再結合更為上層的編譯、優化和云前端等軟件系統設計與測試,可謂是一項系統性的量子工程挑戰。

        美國目前擁有最先進的量子云技術,以此為依托的量子應用生態布局也更為深入,需要注意的是,國外的量子云已經對中國進行了很大的限制,最好的、最先進的量子資源我們早已經無法訪問(國內只能訪問IBM推出較早、比特數較少的量子云系統)。因此,國內自主研發高質量的量子云平臺,對我國量子計算技術發展和產業生態建設至關重要。

        IBM已上線的量子計算系統,433量子比特的魚鷹處理器首次上線(來源:
        https://quantum-computing.ibm.com/)

        最后,我們還應該認識到在量子云布局上國內與IBM有差距,而圍繞量子云的量子計算應用生態建設更是剛剛起步,還有很長的路要走。一路上,需要更多來自不同領域的科學家、工程師和企業家攜起手來一起前進。希望我國的量子計算技術能穩扎穩打,科研與產業并進,在這一顛覆性的新賽道上,走向世界之巔!

        本文受科普中國·星空計劃項目扶持

        出品:中國科協科普部

        監制:中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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