“祖沖之號”又出新單品，量子計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）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

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

超導(dǎo)量子計算機

（圖片來源：新華社）

量子計算云平臺是將量子計算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)云平臺相結(jié)合的全新計算平臺，它向公眾提供了可以遠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)的云計算平臺類似，量子計算云平臺可以將量子計算資源和服務(wù)同時提供給多個用戶，從而提高資源的利用率，并且加速了量子計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，讓更多的人可以參與到量子計算的研究和開發(fā)中。

那么，量子計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>

科幻照進現(xiàn)實：在家就能完成量子計算

每當我們談及量子計算的時候，大家腦海中浮現(xiàn)的往往是科幻小說中的情景，而這也進一步激發(fā)了大家對于量子計算的好奇。其實，量子計算聽上去之所以神秘，主要是因為它涉及到一些與經(jīng)典計算完全不同的概念和原理，具有許多令人費解和令人驚奇的特性。

在經(jīng)典計算中，計算機采用比特來表示0態(tài)或者1態(tài)，從而完成數(shù)據(jù)的分析和運算。而量子計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)賦予了量子計算機處理信息的獨特能力。

舉個例子，當有2個量子比特時，量子計算機可以同時處理|00?、|01?、|10?和|11?這四種可能性，而經(jīng)典計算機則需要逐個考慮每種狀態(tài)。這就意味著，隨著量子比特數(shù)目N的增加，量子計算機的運算能力將以2的N次方的指數(shù)形式迅速增長，從而展現(xiàn)出經(jīng)典計算難以比擬的超強算力。

量子計算概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

然而，量子計算的發(fā)展仍舊處于從實驗室走向工業(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，因此難以在短時間內(nèi)走進千家萬戶。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），量子計算機的量子比特數(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，這時候迫切需要一種溝通的橋梁，將“實驗室-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算的研究和應(yīng)用中來，加速量子計算技術(shù)的發(fā)展。

幸運的是，基于互聯(lián)網(wǎng)云平臺的量子計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、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)典計算中非常耗時的優(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?，保護個人隱私和商業(yè)機密。

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，卻可以通過云平臺訪問量子計算資源，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簡化的界面和工具，使得用戶能夠利用量子計算的潛力，無需自己構(gòu)建和維護量子計算機。

量子計算云平臺的正確打開方式

量子計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，量子計算云平臺的使用也需要我們采用個人設(shè)備終端，利用互聯(lián)網(wǎng)來遠程訪問量子計算機器。也就是說，普通用戶只需要在個人電腦上用鼠標輕輕一點，就可以訪問和使用傳說中神秘的量子計算機，從而完成特定的量子算法任務(wù)。

云計算示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

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

1.注冊和登陸

2.選擇計算資源，并創(chuàng)建任務(wù)

根據(jù)所需的算法任務(wù)的不同，選擇所需的量子計算資源，包括量子比特數(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，可以運行更加復(fù)雜的算法任務(wù)，但是錯誤率也會隨之上升。因此，一些平臺會提供不同的量子計算資源的選擇，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)進展和結(jié)果獲取

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

因此，量子計算云平臺的出現(xiàn)為普通用戶提供了訪問和利用量子計算資源的機會，推動了量子計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。普通用戶也無需購買和維護昂貴的量子計算設(shè)備，只需要在簡單的培訓(xùn)后，就可以訪問和使用量子計算資源來執(zhí)行復(fù)雜的量子計算任務(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)擁有了各自獨特的量子計算的社區(qū)生態(tài)。以下是其中一些知名的量子云計算平臺，以及它們各自的獨特優(yōu)勢：

IBM Q Experience：早在2017年，這款面向公眾免費試用的量子計算云服務(wù)就出現(xiàn)了，它提供了整套的量子計算開發(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，用戶也可以通過在線云平臺，或者通過python語言下的qiskit進行訪問和使用量子計算資源。

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)典計算機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）進行量子算法開發(fā)和測試。除此之外，它還提供了三個著名的量子后端設(shè)備 IonQ，Rigetti 和 D-Wave 的訪問端口，它們分別代表了量子計算的三種物理實現(xiàn)方式，分別是離子阱，超導(dǎo)量子和退火量子計算。

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算云平臺，也有越來越多的研究機構(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）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

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