無論IBM、谷歌在宣傳自己的量子計(jì)算進(jìn)展時(shí)是否夸大其詞，從IBM推出量子云服務(wù)這件事看，顯然美國科研人員非常重視量子計(jì)算的實(shí)用化。而今我們的國際量子計(jì)算云平臺(tái)也上線了量子計(jì)算云平臺(tái)“中國版”正式啟動(dòng)，清華大學(xué)、阿里巴巴-中科大、本源量子-中科大在同一天發(fā)布了。

　　量子信息革命正加速到來，2016年，IBM就向公眾開放了基于云的量子計(jì)算平臺(tái)，用戶登錄后能使用一臺(tái)5量子比特的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法或?qū)嶒?yàn)?zāi)M；今年3月，IBM又宣布計(jì)劃建立業(yè)界首個(gè)商用通用量子計(jì)算平臺(tái)IBM Q。

　　在量子計(jì)算領(lǐng)域，國內(nèi)外的競爭十分激烈，就在10月10日，英特爾通過其官網(wǎng)宣布，公司生產(chǎn)出一種包含17個(gè)超導(dǎo)量子位的全新芯片，標(biāo)志著量子計(jì)算正從學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，向?qū)嵱妙I(lǐng)域邁進(jìn)。

　　與IBM不同，清華大學(xué)課題組的量子計(jì)算云平臺(tái)是基于核磁共振量子計(jì)算機(jī)，不同的量子計(jì)算機(jī)物理體系有什么優(yōu)缺點(diǎn)？我們采訪了清華大學(xué)物理系核磁共振量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，他們表示，“我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開”。

　　核磁共振量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室部分工作人員 （李可仁 辛濤作為技術(shù)負(fù)責(zé)，指導(dǎo)老師為龍桂魯，曾蓓 尹章琦 魯大為 李俊 黃詩霖 陸思銳等是合作者）

　　源自中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的本源量子公司、 阿里巴巴和中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)合作，共三個(gè)團(tuán)隊(duì)在同一天都發(fā)布了量子云計(jì)算平臺(tái)。 同時(shí)我們還在預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)布了相關(guān)論文。我們實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)的核磁共振量子信息處理系統(tǒng)的對(duì)接，這是國際上首個(gè)基于核磁共振的量子云計(jì)算平臺(tái)，在中文版上線后的24小時(shí)內(nèi)，網(wǎng)站主頁獨(dú)立IP訪問次數(shù)近2000次，來自清華大學(xué)、中國科大、九院等不同單位近150個(gè)的注冊(cè)用戶，提交的在線計(jì)算任務(wù)80余次，也引起了國際以及臺(tái)灣地區(qū)同胞的關(guān)注。

　　量子云平臺(tái)只包含四個(gè)量子比特，但是邏輯門保真度超過98%，可以完成很多步復(fù)雜的邏輯門。目前這個(gè)平臺(tái)上完成過哪些有代表性的計(jì)算任務(wù)。

　　核磁共振作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最早的物理平臺(tái)之一，至今已經(jīng)發(fā)展了許多完善精確的量子操控技術(shù)以及積累了豐富的量子計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，在量子計(jì)算以及量子模擬等主要量子信息研究領(lǐng)域取得了許多重要的成果，比如用于這次云計(jì)算的譜儀之前在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)大搜索能力的Grover算法，7個(gè)量子比特體系的高保真度相干操控，國際上首個(gè)和樂量子計(jì)算，量子隧穿現(xiàn)象以及植物光合作用等量子模擬。這個(gè)量子云平臺(tái)不僅是個(gè)量子計(jì)算體驗(yàn)平臺(tái)，而且更是一個(gè)開展量子計(jì)算和量子操控研究的平臺(tái)，用戶完成可以利用該量子云平臺(tái)做創(chuàng)新性研究，期待他們能做出出色的成果。

　　量子云使用規(guī)則和量子云運(yùn)行結(jié)果（舉例）

　　據(jù)介紹，量子計(jì)算研究有不同層級(jí)，從最底層的物理層，到其上的控制層、電路層，一直到最上層的算法。IBM的量子云服務(wù)，開放的是量子計(jì)算中的電路層和算法層。對(duì)于想要自己造量子計(jì)算機(jī)的研究人員來說，這個(gè)服務(wù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。那么，你們建立自己的量子云平臺(tái)，能為控制層、物理層的研究帶來哪些幫助？

　　首先，我們建立自己的量子云平臺(tái)的服務(wù)是完全可以開放到控制層的。所謂控制層，按我們的理解，核心是對(duì)系統(tǒng)控制脈沖的設(shè)計(jì)。我們?cè)诿}沖設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮時(shí)間或能量優(yōu)化、減少系統(tǒng)誤差、抵抗環(huán)境噪聲等問題。核磁共振譜學(xué)在半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中，在脈沖設(shè)計(jì)方面積累了大量的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。特別是近二十年來，基于核磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的量子控制方法趨向于比較成熟，我們的團(tuán)隊(duì)匯集了這方面的專業(yè)隊(duì)伍。因此，我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開。

　　將核磁共振量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的控制層面自動(dòng)化，有利于提高我們的科研效率。進(jìn)一步將控制層開放給用戶，那么用戶就可以從更基本的層次學(xué)習(xí)、理解實(shí)際量子計(jì)算體系是怎么運(yùn)行的。實(shí)際上，雖然不同的體系有各種各樣的細(xì)節(jié)上的差異，但在控制層面它們有很多共通的地方，我們期待更多的同行們對(duì)此感興趣，將核磁共振成熟的控制方法推廣應(yīng)用到其它的物理體系。

　　量子云中組件的連接

　　通用型的量子計(jì)算機(jī)還沒有問世，目前形形色色的量子計(jì)算原型機(jī)各有什么特點(diǎn)？比如，此前中國發(fā)布的光量子計(jì)算原型機(jī)擅長做玻色取樣，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的原型機(jī)可以用來解線性方程組，那么能否簡要介紹一下你們課題組的核磁共振量子計(jì)算機(jī)？

　　之所以出現(xiàn)多種不同物理體系的量子計(jì)算原型機(jī)，主要原因是目前實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)還未問世，而可能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的物理體系有許多，如超導(dǎo)量子系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)，拓?fù)淞孔佑?jì)算體系，量子光學(xué)系統(tǒng)，量子點(diǎn)系統(tǒng)等，當(dāng)然還有我們的核磁共振系統(tǒng)。制造量子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)有五個(gè)要求，不同的系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，都沒有滿足建造量子計(jì)算機(jī)的所需要滿足的這五個(gè)條件，現(xiàn)在大家都在努力，爭取率先實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。

　　IBM新上線的Jerry Chow團(tuán)隊(duì)的量子計(jì)算云服務(wù)，背后對(duì)應(yīng)的據(jù)說是一臺(tái)有5個(gè)量子位的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，這和你們課題組的核磁共振量子計(jì)算機(jī)有哪些區(qū)別？

　　IBM在去年5月便推出了這臺(tái)5比特的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，今年5月他們將這一紀(jì)錄提高到了16比特。在IBM的量子計(jì)算原型機(jī)推出后，在學(xué)界引發(fā)了一個(gè)熱潮，這一年來，利用IBM原型機(jī)的科研文章也如雨后春筍般涌出，這對(duì)量子計(jì)算的發(fā)展也有不小的促進(jìn)作用。反觀國內(nèi)，缺少這種在線式量子云服務(wù)。為了滿足這一需要和發(fā)展趨勢(shì)，我們利用自己的系統(tǒng)搭建了這一平臺(tái)。相比于IBM的原型機(jī)，由于本質(zhì)上是兩種不同的物理體系實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，天然的區(qū)別便是不同體系間的區(qū)別。超導(dǎo)體系屬于固體量子體系，擅長比特?cái)?shù)的擴(kuò)展。我們的核磁共振體系是系綜量子體系，擅長實(shí)現(xiàn)高精度的操作。另一個(gè)區(qū)別當(dāng)然是我們只提供四個(gè)比特的量子計(jì)算原型機(jī)。

　　有人說，IBM的云服務(wù)雖然可以在網(wǎng)上供用戶設(shè)計(jì)門運(yùn)算，但用戶無法確定，是否真的把你選的運(yùn)算拿到量子位上做了，還是僅僅模擬一下就顯示結(jié)果。如果是模擬實(shí)現(xiàn)，是不是意義有限？

　　IBM向網(wǎng)上用戶提供的五量子比特云計(jì)算服務(wù)，雖然看不到它的底層比如你之前提到的控制層和物理層，但我們相信用戶所提交的任務(wù)是在真實(shí)的量子位上運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，而不是簡單的模擬實(shí)現(xiàn)。這里的模擬實(shí)現(xiàn)是指實(shí)際上量子計(jì)算依然用經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)算來模擬的。如果是這樣的實(shí)現(xiàn)，用戶也得到了量子計(jì)算的體驗(yàn)，但與實(shí)際的量子計(jì)算還是有一些差別。核磁共振量子云計(jì)算中執(zhí)行量子計(jì)算任務(wù)的是一個(gè)真正的量子計(jì)算體系，計(jì)算步驟和將來的大型的實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)是一樣的。這就好比說，利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬的量子云計(jì)算相當(dāng)于軍事上的一場軍事演習(xí)，雖然不是真正的量子計(jì)算，但也是很有意義的。而一臺(tái)有4個(gè)比特的核磁共振量子云計(jì)算，相當(dāng)于一場真正的戰(zhàn)役，雖然只有4個(gè)士兵參加，卻是一場真正的小型戰(zhàn)役。

　　我們知道經(jīng)典計(jì)算機(jī)也能模擬量子算法，那么不同的量子算法，比如針對(duì)整數(shù)分解、可用于破解加密的Shor算法，在核磁共振量子計(jì)算機(jī)等各類量子計(jì)算機(jī)上都可以原生實(shí)現(xiàn)嗎？對(duì)于不同的量子計(jì)算機(jī)方案，是否實(shí)現(xiàn)更多的量子位就是更優(yōu)的方案？

　　在過去的二十年，人們已經(jīng)在核磁共振量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了各種量子算法，包括最早實(shí)現(xiàn)了求解大數(shù)分解問題的Shor算法、求解搜索問題的Grover算法。雖然這些算法的實(shí)現(xiàn)還是在較小的系統(tǒng)上，通常量子比特?cái)?shù)不超過7個(gè)，但是這些研究展現(xiàn)了量子算法在真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)上是如何運(yùn)行的，深化了我們對(duì)算法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)的能力，還有現(xiàn)階段技術(shù)需要哪些方面的改進(jìn)等許多問題的認(rèn)識(shí)。另外，隨著超導(dǎo)、離子阱等各種量子體系的技術(shù)水平的提升，它們也同樣可以在少數(shù)量子位上實(shí)現(xiàn)各種量子算法。

　　什么是更優(yōu)的量子算法的物理實(shí)現(xiàn)方案，我認(rèn)為至少需要兩個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：一是實(shí)現(xiàn)更多量子位的計(jì)算，當(dāng)前在這方面國內(nèi)外的競爭十分激烈；另一個(gè)也需要看在同等規(guī)模上，可以實(shí)現(xiàn)多么復(fù)雜精細(xì)的操控量子門的序列，目前核磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在這一點(diǎn)上還是保有一定的優(yōu)勢(shì)的。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)，最重要的一點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)量子糾錯(cuò)，或者是容錯(cuò)量子計(jì)算，這就需要將操作精度提高一個(gè)閾值，超過這一閾值才有可能實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，目前核磁共振量子計(jì)算所達(dá)到的精度已經(jīng)達(dá)到了這一閾值。

　　無論IBM、谷歌在宣傳自己的量子計(jì)算進(jìn)展時(shí)是否夸大其詞，從IBM推出量子云服務(wù)這件事看，顯然美國科研人員非常重視量子計(jì)算的實(shí)用化。目前，中美在量子計(jì)算領(lǐng)域的科研賽跑情況如何？

　　量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)引起了國內(nèi)外各界廣泛的關(guān)注，包括國家政府，軍隊(duì)，企業(yè)公司，高校科研單位等，他們從不盡相同的角度投入到量子計(jì)算的研究中。十幾年前，國內(nèi)大力開展量子信息的研究，經(jīng)過多年的努力，特別是在量子通信領(lǐng)域，目前已經(jīng)做到世界領(lǐng)先了。當(dāng)前量子計(jì)算被列入了十三五重大研究計(jì)劃，國內(nèi)的一些企業(yè)公司也開始致力于量子計(jì)算的研究，比如自主研發(fā)屬于國內(nèi)的量子云計(jì)算平臺(tái)。相信在這樣良好的環(huán)境下，十幾年后我們國家的量子計(jì)算也能取得世界領(lǐng)先的地位。