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5月26日，北京量子信息科學研究院在2023中關村論壇正式發布“Quafu”量子計算云平臺，成為十項重大科技成果之一。這一全鏈條（全棧式）自研的量子計算云平臺搭載三枚自研超導量子芯片，單芯片最大比特數達到136，同時測控精度高，最高可以實現18量子比特的全局糾纏，目前這一計算性能已達國際先進水平。目前，量子計算云平臺已在包括金融等領域初步應用測試，今后有望在物流、材料、機器學習、藥物研發、保密通信等更多領域開展實際應用。
發布
量子計算云平臺上線三個不同規格超導量子芯片
量子計算云平臺是量子計算綜合性能的展示，以互聯網云計算的形式，整合量子芯片、測控設備、量子操作系統和應用軟件為一體，將量子算力提供給研究及測試者，是量子計算走向實用化的全棧式技術和基礎。
北京量子信息科學研究院聯合中科院物理研究所和清華大學，共同推出了“Quafu”量子計算云平臺，取意“量子未來”，上線三個超導量子芯片，三個芯片分別有136、18和10個量子比特，用戶可以自主選擇合適的芯片運行量子計算任務。
云平臺兼容國際通用的開放量子匯編語言標準，提供了圖形界面、量子匯編語言和客戶端三種提交量子計算任務的形式，方便用戶多種應用需求。
據中科院物理所研究員、北京量子院量子計算云平臺團隊負責人范桁介紹，目前“Quafu”量子計算云平臺在單芯片量子比特數和芯片數量上都處于國內領先地位。云平臺測控精度高，可實現18量子比特的全局糾纏，軟件功能齊全，是國際先進的量子計算云平臺。
18量子比特的全局糾纏意味著什么？“Quafu”團隊創始成員、北京量子信息科學研究院博士后王正安告訴北京青年報記者，量子計算的主要性能指標是單枚量子芯片上的量子比特數，“Quafu”目前最大的芯片“ScQ-P136”擁有136個量子比特，在世界范圍內僅次于IBM的Osprey芯片，位列第二。
“量子糾纏”是量子特有的一種性質，也是量子計算優勢的重要原因之一，“我們可以把量子糾纏理解為一種計算資源，要操控多個量子比特同時實現糾纏非常不容易，‘Quafu’量子計算云平臺在云端能夠實現18量子比特的全局糾纏，這個在國際上也是達到了先進水平。”王正安解釋稱。
量子云平臺是量子計算機走向應用的關鍵技術，建設量子計算的生態就是基于此系統。大眾可以利用量子云平臺進行體驗、教學和科研，也可以嘗試一些實際應用，比如量子金融、量子模擬、量子游戲等；科研機構和高科技公司可以構建自身的應用軟件，而把其中需要涉及量子計算的部分通過云鏈接到實驗室的量子計算機，完成復雜的任務。
運行
“Quafu”目前已對國內外用戶開放測試
據了解，“Quafu”量子計算云平臺已對國內外用戶開放測試，有2000余名量子計算研究者和學生注冊，運行量子計算任務50余萬次，顯示其運行穩定高效。對于普通用戶，該系統免費開放。
北青報記者在快速注冊后，進入了這一網站，左側的邊欄顯示了：控制面板、編輯器、資源、任務、應用、新聞等。點擊后，右側顯示該選項對應的界面，比如點擊第一個“控制面板”后，頂端就顯示出三個較大的按鈕，編輯器、文檔、PyQuafu，用戶可以點擊編輯器直接在線使用量子云計算平臺，也可以用文檔下載安裝后，用程序運行這一云計算平臺。
在首頁的下方，就是“最新動態”，它會以狀態、任務ID、系統名稱、隊列位、操作等多個方面，提示用戶所進行操作的最新進展。再下拉，還會顯示用戶的資源，包括系統數量和模擬器。
“Quafu”滿足了國內科研人員和相關從業者的需求。國內一些研究組，已經通過“Quafu”量子計算云平臺遠程調用量子芯片，構建各自的科研或者應用軟件，量子計算的生態建設已逐步開展。王正安透露，“Quafu”所使用的三枚超導量子芯片從設計到制造全流程都是完全國產的，而三枚芯片的性能也為世界先進水平。這使得“Quafu”量子計算云平臺處于國際先進水平，技術上已經可以實現國產替代。
研發
量子糾纏數不斷提升迭代后已達到136比特
王正安告訴北青報記者，北京量子院已經成立五年，取得了多項重量級學術成果，也積累了大量科學技術和專業人才。一年多前，“Quafu”量子計算云平臺項目成立，并且專門成立了一個量子計算云平臺團隊，總負責人是范桁研究員。同時，團隊充分發揮北京量子院的區位優勢，與院內多個團隊包括超導量子計算團隊、量子算法應用軟件團隊、量子操作系統軟件研發團隊等展開了緊密合作，共享積累的技術與經驗。很快就從無到有搭建起了“Quafu”量子計算云平臺的雛形。參與的成員達到50人以上。
王正安說，最初，“Quafu”只有10比特、18比特和50比特的三個芯片，當時還達不到136，隨著芯片的迭代和工藝升級，比特糾纏數也在不斷提升，目前經過了第三代迭代，已經可以達到136比特了，這個芯片就是北京量子院于海峰研究員和金貽榮研究員領導的超導量子計算團隊所取得的成果。
在研發過程中，也遇到了不少難點。“我們之前一直是在實驗室里做實驗的，每次在做實驗前，我們需要花很大的精力人工對所有設備進行校準，這需要一天甚至幾天的時間。對于做實驗這樣是沒有問題的，但是如果要提供云服務的話肯定不行，因為它需要保持7乘24小時都在線，而且運行不能有特別大的波動，所以說我們也自主研發了一整套自動的校正系統，并且也在不斷升級中。”
在學術上也有一些難點需要突破。“超導量子芯片在設計時就考慮有不同拓撲結構，這個我們的網站上也有展示，可以看到量子比特之間并不是兩兩都連在一起的。如果我們要運行的量子程序或者算法要求的拓撲結構與芯片不符合，那么，我們就需要有一套自動的算法去讓它進行一個映射或者轉換，使得我們也可以滿足任意拓撲結構的量子程序運行。同時，這種映射算法還要盡可能考慮到量子比特之間的差異等影響，總體是非常復雜的。”
此外，他們還需要在時間上進行優化，“不能在用戶提交一個量子程序后，花費特別長的時間去做優化，這也影響用戶體驗，因此對算法的速度有非常大的要求。”
體驗
芯片比特數量國際領先免費支持相關領域科研
清華大學物理系的博士謝浩楠從去年7月就作為“種子用戶”體驗“Quafu”量子云計算平臺了，他告訴北青報記者，去年春天為了完成科研課題，他開始挑選量子計算云平臺。“因為課題是關于量子算法的，所以我希望在論文里添加一部分內容，能夠把我的算法放在實際的量子計算機當中運行，來驗證它的效果。”謝浩楠說，他起初用了國外的量子計算云平臺，花了幾百美元使用后，發現芯片的運行效果并不是特別理想，而且會受到噪聲干擾，導致誤差。他花費很長時間來尋找解決辦法，直到一個師兄向他推薦剛上線不久的“Quafu”。在他測試后發現，“Quafu”平臺的量子芯片中的噪聲比較低，效果比較好，對論文的幫助非常大。
“Quafu”平臺免費支持相關領域科研。謝浩楠說，起初“Quafu”僅支持通過網頁進行操作，上線三個月后，不僅支持網頁訪問，更支持下載軟件包的方式。對于普通用戶來說，可以在網頁編輯量子線路的界面，通過可視化線路圖去編輯量子程序，再提交到服務器上來運行。謝浩楠他們則更喜歡通過下載它的軟件包，通過編輯代碼來把量子程序提交到服務器上面。“我們只要寫好了代碼，就可以讓代碼自動幫我們完成所有的事情，這樣更方便。”
謝浩楠的研究課題是“一種實現虛時演化的量子算法的設計”。他說，這就類似于量子計算當中的一種程序設計。如果沒有平臺的話，可以用普通計算機去做數值模擬仿真，但如果有平臺，就可以在真正的量子計算機上做原理性的演示和驗證，這樣可以使論文結果更有說服力。
“量子計算機里面是有一些噪聲的，我們在經典計算機上模擬的話，一般都是模擬理想情況，就沒辦法想象出如果有噪聲或其他干擾因素時，程序運行結果會不會還是很好，這樣就沒有辦法對算法的優缺點進行評估，也沒有辦法對算法的抗噪聲性作出改進。”謝浩楠說，“有了這個平臺之后，我們在使用的過程中可以感受到算法在噪聲影響下的運行是什么樣子的，從而讓我們對算法的性能有一個很好的認識。”
除了“Quafu”，謝浩楠也使用過包括IBM量子計算云平臺在內的其他平臺。他認為“Quafu”平臺比特數量多于其他平臺，可以做到10個、18個，甚至100多個。“這也就是說，如果我們想在量子計算機上實現一個比較大規模的量子計算任務的話，那么需要的比特數較多，這樣就只能使用‘Quafu’。”
未來
量子云計算將應用到藥物研發、金融、物流等領域
王正安表示，量子云計算并不是要代替經典云計算平臺，正如量子計算機在定位上也不是要取代經典計算機，而是成為計算機的一個組成部分，就類似與CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）的關系，可以稱之為QPU（量子處理單元），起到加速計算的作用。所以量子云計算平臺也不可能完全脫離經典計算機單獨執行計算任務。
量子云計算的技術主要還是圍繞量子計算機展開的，另在量子線路編譯、校準、糾錯等方面有深入的研究。
量子人工智能與現在的人工智能并非相互替代的關系，而是用量子人工智能來輔助經典的人工智能。“我們之前也和一些企業進行了合作，其中有一個團隊正在做量子計算在金融領域中應用的相關研究，在經典神經網絡模型中引入了一部分量子的神經網絡，取得了非常理想的效果。”
量子云計算應用另一種可能的領域是藥物研發。使用者謝浩楠說，生命科學里面承擔生命體最主要功能的一種物質是蛋白質，只要能夠研究清楚各種蛋白質的性質，就能夠對很多的生命活動有更多更深入的了解。蛋白質的功能主要是由它的分子構型決定的，但是如果我們想從理論上計算一個分子的構型，當分子的規模比較大時，計算量是非常龐大的。“一般一個蛋白質分子都是由上千個甚至上萬個原子構成的。使用量子計算能夠對我們的計算資源進行優化，就可以讓計算的時間、需要的比特資源，都減少很多。”
此外，藥物研發最主要的是希望設計新的藥物分子。藥物作用到人體之后會產生什么樣的效果，這些化學反應的過程都是需要計算機去模擬的。這些模擬都需要龐大的計算量，而量子計算可以對模擬過程進行加速，對藥物研發進程提供比較大的幫助。謝浩楠說，以往要么就在經典計算機上模擬，但是需要的時間很久，要么就在真實的生物化學實驗中去驗證。“但是如果有一些藥物，我們沒有辦法高效地制備，或者說有一些生物樣本我們沒有辦法高效地獲取，那么最好的辦法其實還是在計算機上進行模擬。”
范桁也表示，隨著人工智能的發展，對算力的要求也越來越多，量子計算也有量子算力的需求，因此，發展量子計算算力并通過云平臺來提供給大家，也是量子計算發展的一個非常重要的技術。
“整個量子計算行業發展很快，但是目前基本還是測試階段，實際應用還很遠，估計至少五年后。實際應用的場景有可能較為明確，產生效益或者正反饋估計需要十年左右。這個過程中，主要還是集中于科研探索，或者解決某個學科中的科研問題。”范桁告訴北青報記者。
范桁也表示，下一步“Quafu”量子云平臺的發展有兩個方向：軟件和硬件。“硬件方面計劃上線更多芯片，單芯片數目也會一直增長，同時進行量子計算的精度也會一直提升。軟件方面，發展更多有應用前景的軟件，開始是小規模測試，到一定階段有望解決一些價值比較小的問題，后續會有望產生更大的價值。如果有較多的應用軟件都是基于我們云平臺的量子芯片，多場景里總會有些有價值的應用開始出現，并逐步發展起來，所以軟件主要是發展基于云平臺的生態。”
本版文/本報記者 溫婧
統籌/余美英 供圖/北京量子信息科學研究院
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