量子走下神坛 国内首个“量子计算云平台”架构建设基本完成

当日，中国科学技术大学教授朱晓波透露，60量子比特、99.5%保真度的超导量子计算实验正在紧锣密鼓进行中， 预计未来5年内，可以实现1000比特量子计算能力，并且精度保持在99.5%，10年目标，实现100万比特、99.8%保真度、能解决实际问题的量子计算机。

此次升级的量子计算云平台正是基于朱晓波团队的超导量子计算原型机，负责该平台的中国科学技术大学教授李俊云表示，量子计算云平台会在后续进一步扩充云平台，使其具有更多、更高性能的量子计算原型机。

如果说实现了量子优越性的谷歌“悬铃木”和中科大“九章”，因其只是解决了某个特定问题，而让这种超越更像是一种“无用”的展示，那么量子计算云平台则是为量子“玄学”搭建的一座巴别塔：通过“云”连接用户与真实量子计算设备，它将有望将不同量子计算实验方案、量子软件开发者、量子计算研究者、公众用户连接在同一个生态内，从而让量子计算加快从“无用”到“专用”再到未来“通用”的步伐。

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2019年9月，谷歌宣布研制成功53个量子比特超导计算原型机，2020年12月，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”出世，成为实现“量子优越性”的先行者。

量子计算原型机“九章”，图源：新华社

所谓“量子优越性”，是指超过50个量子比特后，量子计算被认为具有量子优越性，即在开展特定任务时， 具有超过传统超级计算机的算力 。

量子计算是基于量子力学规则的逻辑运算方式，其优势是量子态叠加原理使得量子计算机中每个量子比特（qubit）能够同时存在于二进制中的比特0和比特1的状态。 相较于经典计算机的二进制运算，量子计算机的能力与效率获得了指数级的增长 。

量子计算机量子叠加态原理，资料来源：《量子计算与编程入门》（郭国平、陈昭昀、郭光灿编著，2019 年出版），中金公司研究部

朱晓波对此有着更为通俗易懂的解释：如果将一个比特比做二维空间，2个比特便是四维空间，100个比特构成的一个系统，便是2的100次方维度空间，那么当它展开时，所呈现出的计算空间是惊人的。

还记得《三体》里的“二向箔”吗？当三维的太阳系被降维打击为二维空间时，呈现出的是整个星系的无限延伸 。想象一下，如果是2的100次方降到二维，那该是多么惊人的空间 。

也正因此，尽管国内有百度、阿里、华为等国内互联网公司都声称自己推出了“量子计算云平台”，但多数是在经典超级计算机上模拟的量子算法，与低比特数量的量子计算机还可以一拼，但“ 基本上40个比特之后，经典超算便很难带得动了。 ”

尽管科学家的解释尽可能简单，但被誉为“科技皇冠”的量子计算前进的每一步，几乎都已是当前科技能力的极限。

超导量子比特控制量子态的能量大约只相当于一个蝴蝶扇动翅膀能量的十亿亿分之一，朱晓波和他的团队，不仅要控制如此低能量的态，还必须获得99.4%以上的保真度，“尽管，我们希望未来10~15年，能够造出一台通用量子计算机，但事实上这条路无比艰辛。”朱晓波说。

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尽管基础科研大多喜欢“无用而自由”，但在量子研究领域，对于将“无用”变成“有用”却有着迫切的需求。

全球已进入数据大爆炸时代。76年前，“经典计算机之父”冯·诺依曼加入ENIAC的初衷，是为了找到新方式以替代正在计算原子核反应过程的100多名女计算员。

世界第一台通用「电子计算机」ENIAC，图源：维基百科

如今，随着5G、物联网等技术的普及，根据IDC预测，全球数据量将在2025年达到175ZB，平均每两年数据就会翻一倍， “冯·诺依曼”的第一次量子革命正在失效，人类社会需要新的算力 。

然而，对于普通科研机构和应用开发者而言，基于量子调控与量子信息的第二次量子革命，似乎仍然遥不可及。

李俊云指出，在全球量子计算发展中存在着高昂的设备投入和科研普及之间的矛盾 ，“对于量子计算机的研发，我们往往需要上亿元的投入，一台比较高端的量子计算机原型机的建造成本可能都是上千万元，一般科研院所是无法承担的。另外，量子计算研发仍处于非常初级阶段，有很多实验路径和技术难关需要大量的研究小组参与和突破”。

此外，尽管人们都意识到通用的量子计算机将是一个革命性的突破，但基于量子应用的阶段同样非常初级，鲜有开发者基于量子计算有落地应用，而 量子模拟应用，恰恰是朱晓波希望下一步实现的目标，能够真正解决有用的问题 。

加之量子计算机仍需要严苛的运行环境与复杂的辅助设备，难以直接为业界服务，量子计算云平台便应运而生，依托“云”，将量子计算资源对外开放。

一篇署名为中国信通院高级工程师吕博、吴冰冰的文章认为，量子云平台可以在量子计算技术真正成熟之前，提前释放量子计算的潜力，吸引越来越多的量子计算研究者、量子软件开发者和公众用户在云平台上开展科学实验、软件开发与应用探索，进而促进量子计算产业提前布局与生态的良性培养。

目前，IBM、Google、Honeywell、微软等科技巨头均已推出量子计算云平台。

图源：中金公司研究部

2020年9月，加拿大初创公司Xanadu发布基于光学路线的量子云平台，可访问8比特或12比特的光量子计算机。

国内除了量子计算云平台之外，还有同样源自中科大的本源量子等少数可以连接物理量子原型机设备的量子计算云服务，其中本源量子提供6比特的超导量子计算服务。

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此次宣布升级的“量子计算云平台”是国内首个真正意义上的量子计算云平台 ，首次上线于2017年10月11日，由中国科学院量子信息与量子科技创新研究院（上海）联合阿里云发布，2018年2月22日，双方再次联手发布11比特的云接入超导量子计算服务， 成为继IBM后全球第二个向公众提供10比特以上量子计算云服务的平台 。

到了2020年，量子创新研究院重新联合济南量子技术研究院和科大国盾量子将量子计算云平台升级至12比特超导量子物理机。并对网站页面和功能进行了重新设计，且预留了更多比特超导量子计算原型机的接口。

图源：中科院“量子计算云平台”官网

与目前国内外同类平台相比，中科院“量子计算云平台”优势明显，以国内顶尖的超导量子计算团队为后盾，并且与同源的“九章”有良好关系，李俊云说，未来不排除接入更多量子计算实现方案。

发布会上李俊云介绍，全球量子计算云平台绝大部分是以企业为主体，而量子创新研究院的平台是以科研单位为主体， 是一个公众的平台，希望可以更好地团结各个应用领域的不同公司、单位，专家学者都能加入进来。

一位现场研究人士也认为，量子计算应用软件是量子计算发展的另外一块短板，跨学科人才的缺乏亟待解决。否则，就算有了算力，没有太多可用的配套软件，使用者也无法编写适合自己的算法。

全球范围内，第一台量子云计算平台是IBM的Q Exerience，于2017年上线，申请者可以在Q Exerience上使用量子应用程序和系统学习，开发和运行程序。

IBM Q Exerience量子云计算平台，图源：IBM

IBM还推出了开源SDK：Qiskit，可以在脉冲、电路和应用模块级别与量子计算机一起工作。

其官网的应用领域显示，Qiskit提供机器学习、化学等自然科学、证券不确定性等金融问题等数十个模版。

图源：Qiskit官网

创业公司中风头最劲的是IonQ。2020年10月宣布推出“具有32个完美的量子比特且门误差相当低”的最新款量子计算机，并于不久前宣布， 将其量子计算平台与IBM的开源量子软件开发工具包Qiskit全面整合 。