普通人如何才能接触到真正的量子计算机？ 答案是“量子云”； 我们中国人如何接触真正的量子计算机？ 答案是“我们自己的量子云”。

作者 | 无邪（量子计算从业者）

最近，“量子云”成为科技界的流行语。 2023年5月，IBM将此前发布的433量子位“（）”处理器推上量子云平台； 5月底在北京举行的中关村论坛上，北京量子信息科学研究所（简称“北京量子所”）正式发布了由北京量子研究院联合开发的“量子计算”量子计算云平台，中科院物理研究所和清华大学，最大的量子计算系统可以提供136个互连、独立控制和测量的量子比特。

可能很多人不知道“量子云”是什么，或者很容易想到云计算。 这两者其实是两种完全不同的东西。 今天我们就来聊聊这个备受关注的量子算力共享模式——量子云。

什么是超导量子计算系统的量子云？

首先，让我们快速介绍一下量子计算和经典计算的区别。 我们现在使用的计算方式，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做位。 一个位可以处于0或1两种状态之一，大百思特网量的位通过电路连接在一起，对其进行一系列的逻辑运算，如“与门”、“与非门”、“异或门” "等等，最后去获取存储计算结果的那组位的状态，这样就可以进行各种操作了。 我们称这种计算方法为经典计算。

这里我们看到了计算的四个要素：一是信息的存储和计算单位——比特；二是信息的存储和计算单位——比特； 另一个是一组作用于位的通用逻辑门操作； 第三个是算法，即逻辑门如何组织并映射到位； 最后一个元素是读取的。 量子计算也需要具备这些要素，利用量子力学叠加纠缠的基本原理后，可以展现出许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，它是最简单的量子系统——二能级系统。 作为类比，我们可以将这两个能级分别标记为 0 和 1。 由于量子态的叠加，这样的系统可以处于0和1的叠加状态，即量子位可以部分为0，部分为1。这种叠加性质赋予了量子位同时表达多个状态的能力时间，因此它具有更强的信息编码能力。 当多个量子位连接在一起时，我们可以将它们纠缠在一起，这是经典位所没有的能力。

量子比特的纠缠很难详细解释，但我们可以这样理解：在纠缠比特中，信息的表达必须作为一个整体来看待，其维数随比特数呈指数增长，提供计算能力. 指数级增长的编码空间理论上可以实现指数级的计算加速。 如果我们能够找到这样一对能级（也就是纠缠的量子比特）并且能够继续扩展，对这些量子比特进行精确的量子门运算，进而能够准确测量它们的量子态，最终设计出好的量子算法，我们有可能执行一些非常高效的计算。 其实是有例子的——著名的Shor算法，可以将大数分解问题的复杂度降低到拟多项式级别； 理论上，该算法可以在很短的时间内减少互联网上常用的RSA加密或椭圆曲线加密。 如果被破解，所带来的威胁可以说直接关系到国家安全。 这也是各国大力投资量子计算/信息产业的原因之一。

现实中，可以构建量子比特的物理系统有很多种，可以基于光子、电子、原子、分子、原子核、晶格缺陷等； 熟悉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，它们本质上是基于不同的物理体系发展起来的不同技术路线，其进展也各不相同。 目前，超导和离子阱被认为是最有前途的两种技术方案。 IBM的“”处理器和Quafu量子计算云平台都是基于超导解决方案。

当然，无论是超导还是离子阱解决方案，其开发的（量子）硬件还处于应用示范阶段。 行业的快速发展需要研发与实际应用的协同。 一方面，迫切需要应用方提出合理的实际需求，让开发者更准确地规划未来的研究方向和技术路线； 应用方也迫切需要在真实的量子硬件上测试和优化自己的算法，尽快生成真实的量子数据。 好处。 另一方面，量子计算的技术门槛和资金投入都非常高，优质的量子计算资源十分稀缺。 无论是从事量子算法理论研究的高校科研院所，还是从事量子技术需求探索的企业，都很难获得这些量子计算资源。 因此，从业者需要一个开放的共享机制，将研发端与应用端紧密对接。 目前大家认为最好的方式就是量子云平台。

P136 量子云的性能和连接视图（来源：） 量子云平台是如何搭建的？

如果有一个经过精细校准的量子芯片测控系统，它向互联网开放了一套API，即应用程序接口。 我们可以通过互联网访问这个量子测控系统，向它发送量子电路并获得返回的测量结果。 数据。 如果我们能进一步提供一个相对完善的工具集和调度系统来帮助用户编译和优化量子电路，以及位映射等，并保证大量用户同时访问，我们将构建量子云平台。

这里有必要了解什么是“量子测控系统”和“量子电路”。 在上一篇文章中，我们大致梳理了计算的几个要素：信百思特网息存储和处理单元（比特）、一整套通用逻辑门、算法、读取。 量子测控系统就是要解决通用量子门的物理实现和量子态的读取两个环节。 前者对应“控制”，后者对应“测量”。

以单比特旋转门为例，如果我们想将一个量子比特QA上的状态绕X轴旋转180度，实际操作是向QA施加一个具有精确面积的谐振微波脉冲。 这样的脉冲信号一般是在室温下由任意波发生器编辑生成的，而量子位处于极低的温度。 怎样才能准确地将这个信号发送到指定位附近呢？ 这需要一根电缆将脉冲源连接到 QA 的控制线。 这听起来很简单，但实施起来并不容易。 科学家和工程师不仅要保证有足够的信号传递下去，还要保证尽可能少地传递室温的热量，热噪声和其他噪声源不沿着电缆传播。 潜入量子比特附近造成破坏。 为此，一方面需要使用特殊的低温同轴电缆，另一方面需要逐级插入各种衰减器、滤波器等器件。 整个环节非常微妙。 在读取方面，我们需要将极微弱的量子信号逐级放大，交给常温下的采集卡进行采集处理。 所有这些用于实现精确量子门控制和精确读取量子态的电子设备、电缆、各种微波器件、样品盒等，都是复杂精密的“量子测控系统”的物理组成部分。 向上。 此外，测控的软件部分也很重要。 负责测控设备、波形控制、数据处理和可视化以及相关工具链的高效管理。

量子测控系统示意图丨图片来源：IBM

量子电路是将上述量子门和读出器按照特定目的组织百思特网起来形成的逻辑序列。 前面提到的 Shor 算法本质上是一个量子电路。 但它仍然比较抽象。 一般来说，在实际的量子计算机上运行需要一些转换。 这就需要量子云的编译和优化工具。 在开放的量子云上，用户只要遵守基本规则，就可以提交各种量子电路。 这种开放性使得量子云所要处理的情况比在实验室进行量子实验要复杂一些。

可以想象以下场景：用户通过网页和APP直接访问真实的量子计算资源，高级用户甚至可以将其集成到自己的应用中，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，不需要去满是电路的量子计算实验室，更不用说亲自搭建仪器和调试电路——这才是真正可以上手的量子云平台。 可见，量子云大大降低了用户使用量子计算资源的门槛，让更多人可以在真实的量子计算机上快速验证和完善自己的想法。 让更多聪明的大脑参与进来，是推动量子计算走向实用化的终极捷径。

量子云竞争激烈，自主研发是关键

IBM 率先以量子云的形式推广量子计算。 2016 年，他们推出了第一个 5 量子比特的量子云。 如今，IBM 已推出多达 25 个量子云计算平台，目前可公开访问的系统包含多达 433 个量子位。 从2017年开始，我国就有团队在探索这种模式。 最早的是中科院量子信息与量子技术创新研究所推出的12位量子计算云平台。 目前，已有多家研究机构和企业对外提供量子云服务。 此次中关村论坛发布的量子云平台，是我国首次推出100比特以上规模的量子云。 它的意义其实是非常大的。 数百量子比特规模的量子计算，从芯片设计、超低温电路布局、测控电子集成，到测控软件系统架构等，复杂度较之前大幅增加。 结合高位编译、优化、云前端等软件系统的设计和测试，可谓是系统的量子工程挑战。

美国目前拥有最先进的量子云技术，基于此的量子应用生态布局也更加深入。 需要注意的是，国外的量子云已经对我国进行了很大的限制。 最好最先进的量子资源我们早就无法接入了（在国内只能接入IBM较早推出的比特数较少的量子云系统）。 因此，国产自主研发优质的量子云平台，对我国量子计算技术发展和产业生态建设至关重要。

IBM 的在线量子计算系统，433 量子比特的 处理器首次上线（来源：）

最后，我们还应该认识到，中国与IBM在量子云的布局上存在差距，围绕量子云的量子计算应用生态建设才刚刚起步，还有很长的路要走。 一路走来，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，共同前行。 希望我国的量子计算技术稳步发展，科研与产业齐头并进，在这个颠覆性的新赛道上，我们一定会登上世界之巅！