世界熱資訊！“祖沖之號”又出新單品，量子計(jì)算云平臺究竟是什么？

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系）

上周，一臺基于超導(dǎo)量子計(jì)算方案的“祖沖之號”正式上線量子計(jì)算云平臺，并且面向全球用戶開放。

(資料圖)

據(jù)悉，“祖沖之號”量子計(jì)算云平臺是由中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院等多個(gè)單位合作研發(fā)的，目前可供用戶使用高達(dá)176個(gè)量子比特來進(jìn)行在線測試，并且可以執(zhí)行用戶自行編程的量子算法。這標(biāo)志著，我國的量子計(jì)算云平臺不僅刷新了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的比特?cái)?shù)紀(jì)錄，而且接入的新一代量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)也瞄準(zhǔn)了國際先進(jìn)水平。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

（圖片來源：新華社）

量子計(jì)算云平臺是將量子計(jì)算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)云平臺相結(jié)合的全新計(jì)算平臺，它向公眾提供了可以遠(yuǎn)程訪問和使用量子技術(shù)資源和服務(wù)的平臺，包括量子比特（qubit）的選取、量子邏輯門的操作以及執(zhí)行相應(yīng)的量子算法等。

與傳統(tǒng)的云計(jì)算平臺類似，量子計(jì)算云平臺可以將量子計(jì)算資源和服務(wù)同時(shí)提供給多個(gè)用戶，從而提高資源的利用率，并且加速了量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，讓更多的人可以參與到量子計(jì)算的研究和開發(fā)中。

那么，量子計(jì)算云平臺到底有什么神奇之處？科學(xué)家們?yōu)槭裁匆獱幭嘌芯克兀?/p>

科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)：在家就能完成量子計(jì)算

每當(dāng)我們談及量子計(jì)算的時(shí)候，大家腦海中浮現(xiàn)的往往是科幻小說中的情景，而這也進(jìn)一步激發(fā)了大家對于量子計(jì)算的好奇。其實(shí)，量子計(jì)算聽上去之所以神秘，主要是因?yàn)樗婕暗揭恍┡c經(jīng)典計(jì)算完全不同的概念和原理，具有許多令人費(fèi)解和令人驚奇的特性。

在經(jīng)典計(jì)算中，計(jì)算機(jī)采用比特來表示0態(tài)或者1態(tài)，從而完成數(shù)據(jù)的分析和運(yùn)算。而量子計(jì)算則采用量子比特來表示0態(tài)和1態(tài)的疊加，這種疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)處理信息的獨(dú)特能力。

舉個(gè)例子，當(dāng)有2個(gè)量子比特時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理|00?、|01?、|10?和|11?這四種可能性，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)則需要逐個(gè)考慮每種狀態(tài)。這就意味著，隨著量子比特?cái)?shù)目N的增加，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將以2的N次方的指數(shù)形式迅速增長，從而展現(xiàn)出經(jīng)典計(jì)算難以比擬的超強(qiáng)算力。

量子計(jì)算概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

然而，量子計(jì)算的發(fā)展仍舊處于從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)界的起步階段，它們大多設(shè)備復(fù)雜、成本高昂，并且需要專業(yè)的研究人員悉心維護(hù)，因此難以在短時(shí)間內(nèi)走進(jìn)千家萬戶。即使是采用目前比較主流的物理方案（比如超導(dǎo)量子比特、光量子比特以及囚禁離子等），量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)目仍然十分有限，只能在某些特定的算法問題上展現(xiàn)出自身的優(yōu)勢。

因此，這時(shí)候迫切需要一種溝通的橋梁，將“實(shí)驗(yàn)室-工業(yè)界-普通用戶”聯(lián)系在一起，從而使三方共同參與到量子計(jì)算的研究和應(yīng)用中來，加速量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。

幸運(yùn)的是，基于互聯(lián)網(wǎng)云平臺的量子計(jì)算提供了這種溝通的橋梁，從而打通了“產(chǎn)學(xué)研”這一道路，它的出現(xiàn)就像上世紀(jì)90年代興起的萬維網(wǎng)（World Wide Web）一樣，讓無數(shù)普通用戶參與其中，從而構(gòu)建出更加活躍的社區(qū)生態(tài)，并且逐步探索量子計(jì)算的潛在應(yīng)用。

萬維網(wǎng)示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

有啥用？有大用

量子計(jì)算云平臺的出現(xiàn)為研究人員和普通用戶和提供了便利，使得用戶能夠利用量子計(jì)算的潛力，探索新的應(yīng)用和算法。下面就來看看它有哪些用途吧！

量子計(jì)算云平臺可以用于量子模擬。云平臺可以用于模擬物理系統(tǒng)、分子結(jié)構(gòu)等復(fù)雜系統(tǒng)的行為。這對于研究新藥物設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域具有重要意義。例如，通過模擬分子的相互作用，科學(xué)家可以更快速地開發(fā)新型藥物，以及優(yōu)化材料的性能。

它還可以用來優(yōu)化問題。云平臺可以解決一些經(jīng)典計(jì)算中非常耗時(shí)的優(yōu)化問題，例如旅行商問題和物流優(yōu)化。通過利用量子算法的優(yōu)勢，可以提供更快速、更高效的解決方案，從而改善日常生活中的路線規(guī)劃、資源分配等問題。

除此之外，它還可以用于加密與提高安全性。量子計(jì)算在密碼學(xué)領(lǐng)域具有潛在的影響。云平臺可以用于研究和開發(fā)抵御量子計(jì)算攻擊的加密算法。這有助于提高網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，保護(hù)個(gè)人隱私和商業(yè)機(jī)密。

加密示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

對于大眾而言，雖然大家可能沒有豐富的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)，卻可以通過云平臺訪問量子計(jì)算資源，享受相關(guān)算法和應(yīng)用的好處。云平臺為用戶提供了一個(gè)簡化的界面和工具，使得用戶能夠利用量子計(jì)算的潛力，無需自己構(gòu)建和維護(hù)量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算云平臺的正確打開方式

量子計(jì)算云平臺既然這么好，我們普通用戶該如何才能使用呢？與訪問云端的服務(wù)器類似，量子計(jì)算云平臺的使用也需要我們采用個(gè)人設(shè)備終端，利用互聯(lián)網(wǎng)來遠(yuǎn)程訪問量子計(jì)算機(jī)器。也就是說，普通用戶只需要在個(gè)人電腦上用鼠標(biāo)輕輕一點(diǎn)，就可以訪問和使用傳說中神秘的量子計(jì)算機(jī)，從而完成特定的量子算法任務(wù)。

云計(jì)算示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

當(dāng)然，具體的使用方式會(huì)隨著不同的量子計(jì)算云平臺的服務(wù)商不同而有所差異，這就像我們使用電腦的時(shí)候選取不同的操作系統(tǒng)一樣。一般而言，量子計(jì)算云平臺的使用方式可以概括為以下幾個(gè)步驟：

1.注冊和登陸

2.選擇計(jì)算資源，并創(chuàng)建任務(wù)

根據(jù)所需的算法任務(wù)的不同，選擇所需的量子計(jì)算資源，包括量子比特?cái)?shù)目、量子門操作的種類和參數(shù)等。通常情況下，量子比特的數(shù)目越多，可以運(yùn)行更加復(fù)雜的算法任務(wù)，但是錯(cuò)誤率也會(huì)隨之上升。因此，一些平臺會(huì)提供不同的量子計(jì)算資源的選擇，從而滿足不同的任務(wù)需求；

3.編寫量子算法，并執(zhí)行任務(wù)

普通用戶可以使用平臺提供的開發(fā)工具來編寫量子算法，平臺通常也會(huì)提供示例代碼和算法案例，以幫助大家入門和理解如何使用量子計(jì)算云平臺。一旦編寫完成量子算法后，就可以在平臺提供的交互式界面上，直接完成任務(wù)的提交和執(zhí)行；

4.任務(wù)進(jìn)展和結(jié)果獲取

為了查看任務(wù)的執(zhí)行情況，量子計(jì)算云平臺還可以提供實(shí)時(shí)的任務(wù)監(jiān)視工具來跟蹤任務(wù)的進(jìn)度，從而幫助大家更好地理解任務(wù)的執(zhí)行過程。當(dāng)任務(wù)完成后，我們就可以從平臺上獲取計(jì)算結(jié)果，這通常包括量子比特的測量結(jié)果、計(jì)算的概率分布以及相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果等。

因此，量子計(jì)算云平臺的出現(xiàn)為普通用戶提供了訪問和利用量子計(jì)算資源的機(jī)會(huì)，推動(dòng)了量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。普通用戶也無需購買和維護(hù)昂貴的量子計(jì)算設(shè)備，只需要在簡單的培訓(xùn)后，就可以訪問和使用量子計(jì)算資源來執(zhí)行復(fù)雜的量子計(jì)算任務(wù)。

快來試試不同的“款式”

目前，市場上已經(jīng)存在一些主要的量子計(jì)算云平臺了，它們分別是由國內(nèi)外的科技公司主導(dǎo)搭建的，并且已經(jīng)擁有了各自獨(dú)特的量子計(jì)算的社區(qū)生態(tài)。以下是其中一些知名的量子云計(jì)算平臺，以及它們各自的獨(dú)特優(yōu)勢：

IBM Q Experience：早在2017年，這款面向公眾免費(fèi)試用的量子計(jì)算云服務(wù)就出現(xiàn)了，它提供了整套的量子計(jì)算開發(fā)工具，能夠讓用戶自由地編寫和執(zhí)行所需算法任務(wù)。同時(shí)，用戶也可以通過在線云平臺，或者通過python語言下的qiskit進(jìn)行訪問和使用量子計(jì)算資源。

IBM Q Experience

（圖片來源：IBM Research/CC BY-ND 2.0）

Azure Quantum：在2019年，一套全開放式的量子計(jì)算云平臺——Azure Quantum，也出現(xiàn)了。該平臺可以幫助用戶訪問并使用來自三家不同廠商的量子硬件，且支持使用開源量子開發(fā)套件（QDK）、Azure經(jīng)典計(jì)算機(jī)以及一款量子模擬器，從而適配用戶的不同任務(wù)需求。

Amazon Braket：在2019年末，這款量子計(jì)算云平臺出現(xiàn)了，并且支持使用多種編程語言（如Python和Qiskit）進(jìn)行量子算法開發(fā)和測試。除此之外，它還提供了三個(gè)著名的量子后端設(shè)備 IonQ，Rigetti 和 D-Wave 的訪問端口，它們分別代表了量子計(jì)算的三種物理實(shí)現(xiàn)方式，分別是離子阱，超導(dǎo)量子和退火量子計(jì)算。

Amazon Braket

（圖片來源：Amazon）

除了國外的多種“款式”外，國內(nèi)也上線了多種量子計(jì)算云平臺，也有越來越多的研究機(jī)構(gòu)加入了對云平臺的研發(fā)中。上周，在2023年中關(guān)村論壇展覽（科博會(huì)）上，北京量子信息科學(xué)研究院、中科院物理所和清華大學(xué)面向公眾展示了新一代名為“Quafu”的量子計(jì)算云平臺，吸引了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

（圖片來源：Quafu官方網(wǎng)站）

結(jié)語

量子計(jì)算云平臺是將量子計(jì)算機(jī)“搬進(jìn)”千家萬戶的網(wǎng)絡(luò)平臺，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，未來還可能出現(xiàn)更多的量子計(jì)算云平臺可供普通用戶進(jìn)行選擇，未來的云平臺也將具有更強(qiáng)大的功能。讓我們拭目以待吧！

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