極簡科學課｜什麼是量子計算

中央紀委國家監委網站 王小寧

我國企業自主研發的6比特超導量子計算雲平臺日前正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務。那什麼是量子計算呢？量子計算機和普通的計算機又有何不同呢？為此，記者專門採訪了雲平臺研發單位本源量子公司的相關專家。

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，它與現有計算模式完全不同。在理解量子計算的概念時，通常將它與經典計算相比較。經典計算使用二進位的數字電子方式進行運算，而二進位總是處於0或1的確定狀態。量子計算藉助量子力學的疊加特性，能夠實現計算狀態的疊加。它不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(superposition)。

研究人員正在調配「悟源」超導量子計算機晶片系統

簡單來說，量子計算機就是使用量子器件製造，利用量子的疊加與糾纏特性，運行量子算法與量子軟體的新型計算設備。在處理某些特定問題上相對於經典計算機具有指數級別的加速優勢，為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決方案，並可揭示高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機制，為先進材料製造和新能源開發等奠定科學基礎。

此次發布的雲平臺系中國科學技術大學郭光燦院士團隊的成果轉化企業合肥本源量子公司研發，2020年8月，該團隊成功研製出「悟源」超導量子計算機。「悟源」超導量子計算機採用國際主流的設計架構，由量子晶片、量子低溫系統、量子計算機測控系統等硬體系統與量子軟體系統構成。其中量子低溫系統保障量子晶片在絕對零度（零下273.15攝氏度）附近運行；而測控系統是輸入、輸出和控制系統。「量子晶片是量子計算機的核心部件，量子晶片的作用類似於經典計算機中的CPU，一般一個量子晶片上有多個量子比特，通過量子測控系統發送的脈衝序列來實現不同量子比特之間的量子門操作，進而進行特定的量子計算。」本源量子董事長孔偉成介紹。

量子計算機組成結構示意圖

當前量子計算機仍需要嚴苛的運行環境與複雜的輔助設備，這些系統造價高昂，普通用戶很難接觸。為了讓更多的用戶體驗、學習、探索量子計算，國際主要的量子計算公司都開發了各自的量子云平臺，使用雲技術連接用戶與真實的量子計算設備。

最早推出量子計算雲平臺是IBM，其在2016年就上線了基於真實量子計算機的雲平臺IBM Q Experience，最早發布的是5量子比特的計算系統。在2019年，亞馬遜、微軟先後上線了量子計算雲平臺Braket與Azure Quantum。

「悟源」超導量子計算機外觀

此次發布的超導量子計算雲平臺，基於量子計算機「悟源」，搭載了6比特超導量子晶片夸父KF C6—130，保真度、相干時間等技術指標均達到國際先進水平。同時，為滿足普通用戶的體驗需求與專業用戶的開發需求，平臺提供了圖形化編程與代碼編程兩種量子計算在線編程方式。

為了讓用戶使用該平臺開發出更為多樣的量子算法與量子程序，本源量子公司還開發了量子編程框架「量子熊貓」（QPanda）與量子程式語言「量子音符」（QRunes），開發並推出了複雜網絡排序、手寫數字識別、用戶偏好行為預測3款典型的量子編程應用，供用戶學習使用。

QPanda是國內首個自主研發的量子計算編程框架。它的設計理念是為「NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，嘈雜中型量子）設備」的應用而生的量子編程框架，即Quantum Programming Architecture for NISQ Device Application，每個單詞的首字母正好構成QPanda「量子熊貓」。QRunes是本源量子公司2019年全新發布的高級量子語言，基於量子計算機體系結構和NISQ混合算法角度提出。

中國科學院院士、中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室主任、本源量子聯合創始人兼科學顧問郭光燦介紹，人類社會從經典技術時代跨越到量子的技術時代，其標誌就是量子計算機的發展。據了解，本源量子已在研發下一代24比特超導量子晶片與量子計算機控制系統，預計在明年底推出60比特的「悟源」超導量子計算機。