迅速破解大數(shù)分解問題，量子云平臺勢在必行

最近有一個新聞，稱日本理化研究所（簡稱理研），在三月底發(fā)布了首臺國產(chǎn)量子計算機(jī)并可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用。這臺量子計算機(jī)將包含64個量子比特，并且，它還將與日本的明星超級計算機(jī)“富岳”組合，形成經(jīng)典+量子的混合計算能力，致力于2025年達(dá)到實用化。這個模式并不是日本首創(chuàng)，IBM目前是這個方面的領(lǐng)導(dǎo)者。今天就來聊一下這種備受關(guān)注量子算力共享模式——量子云。

首先還是先快速介紹一下量子計算的工作方式。我們現(xiàn)在用到的計算方式，包括電腦、手機(jī)、計算器等等，都是基于二進(jìn)制邏輯的，最底層的信息存儲和處理單元叫做比特，它可以處于0或1兩種狀態(tài)之一，大量的比特連接在一起，并在上面執(zhí)行一系列的邏輯操作，比如與門、與非門、異或門等等，最終去獲取存儲著計算結(jié)果的那一組比特的狀態(tài)，就能夠進(jìn)行各種各樣的運(yùn)算了。這種計算方式我們稱之為經(jīng)典計算。

在這里我們看到了計算的四要素：第一是信息的存算單元——比特，第二是作用在比特上的一組通用邏輯門操作，第三是算法，即邏輯門是如何組織并映射到比特上的，第四就是讀取。量子計算同樣需要具備這幾大要素，不過利用了量子力學(xué)的疊加和糾纏等基本原理之后，就產(chǎn)生了很多經(jīng)典計算所不具備的能力。首先，量子計算的基本信息處理單元是量子比特，它是一個最簡單的量子系統(tǒng)——兩能級系統(tǒng)，作為類比，我們可以分別將這兩個能級標(biāo)記為0和1。由于量子態(tài)的疊加性，這樣一個系統(tǒng)可以處在0和1的疊加態(tài)，也就是部分是0，部分是1。這種疊加特性賦予了量子比特更強(qiáng)的信息編碼能力，也就是同時表達(dá)多種狀態(tài)的能力。而如果我們將多個量子比特耦合在一起，還可以將它們糾纏起來，這也是經(jīng)典比特所不具備的能力。很難詳細(xì)解釋糾纏，簡單來說就是，糾纏的比特中，信息的表達(dá)必須當(dāng)成一個整體來看，而且其維度隨著比特數(shù)量的增長是指數(shù)增長的，這就為計算提供了一個指數(shù)增長的編碼空間，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)指數(shù)級的計算加速能力。如果我們能找到這樣一對能級并且能夠不斷地擴(kuò)展，能在這些量子比特上執(zhí)行精確的量子門操作，然后能夠準(zhǔn)確地測量它們的量子態(tài)，最后能設(shè)計出好的量子算法，我們就有可能完成一些不可思議的高效計算。比如著名的Shor算法，能夠?qū)⒋髷?shù)分解問題的復(fù)雜性降低到準(zhǔn)多項式級，從而有可能將互聯(lián)網(wǎng)通用的RSA密碼或橢圓曲線密碼在很短時間內(nèi)破解掉，產(chǎn)生的威脅度可以說直接關(guān)系到國家安全。

現(xiàn)實中，能夠構(gòu)建出量子比特的物理系統(tǒng)有很多種，可以是基于光子、電子、原子、分子、原子核、晶格缺陷等等，熟悉一點量子計算的聽眾可能聽說過超導(dǎo)量子計算、離子阱量子計算、半導(dǎo)體量子計算、光量子計算等等，本質(zhì)上就是它們基于的物理體系不同產(chǎn)生的不同技術(shù)路線。各種技術(shù)路線發(fā)展的歷史和進(jìn)展情況不同，所處的階段也就不同。目前，超導(dǎo)和離子阱是大家認(rèn)為最有前景的幾個技術(shù)方案之一，這次日本即將公開到互聯(lián)網(wǎng)的量子計算機(jī)，就是基于超導(dǎo)方案的。

不管是超導(dǎo)還是離子阱，其技術(shù)階段仍處于應(yīng)用示范階段，急需要應(yīng)用端提出需求來，以更加精準(zhǔn)的規(guī)劃未來的研究方向和路線，應(yīng)用端也急需在真實的量子硬件上測試并優(yōu)化自己的算法，以盡快產(chǎn)生實際的效益。而另一方面，量子計算的技術(shù)門檻和資金投入都非常高，高品質(zhì)的量子計算資源非常稀缺，無論是高校研究所從事量子算法理論研究的，還是企業(yè)從事量子技術(shù)需求探索的，都很難獲取這些量子計算資源。因此，急需一種開放共享機(jī)制來將研發(fā)端與應(yīng)用端緊密連接起來。目前大家認(rèn)為最好的方式，就是量子云平臺。

如果我們有一臺經(jīng)過了精細(xì)校準(zhǔn)的量子芯片測控系統(tǒng)，它對互聯(lián)網(wǎng)開放了一套API，也就是應(yīng)用程序接口，我們就可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到這臺量子測控系統(tǒng)，向它發(fā)送量子線路并獲取返回的測量數(shù)據(jù)。如果我們能進(jìn)一步提供一套相對完整的工具集和調(diào)度系統(tǒng)，幫助用戶進(jìn)行量子線路的編譯優(yōu)化，以及比特映射等，并保證大量用戶可以同時訪問，我們就構(gòu)建出了一個量子云平臺。用戶可以直接通過網(wǎng)頁、APP訪問真實的量子計算資源，高級用戶甚至可以集成到自己的應(yīng)用程序中去，構(gòu)建自己的量子應(yīng)用。所有這些工作，都可以坐在辦公室里完成，無需親臨布滿線路的量子計算實驗室，更無需親自搭建儀器、調(diào)試線路?？梢钥吹剑孔釉茦O大的降低了用戶使用量子計算資源的門檻，可以讓更多人在真實的量子計算機(jī)上快速的驗證和改進(jìn)自己的想法。讓更多的聰明大腦參與進(jìn)來，是推動量子計算走向?qū)嵱玫慕K南捷徑。

最早以量子云的形式推廣量子計算的是IBM，它在2016年就推出了第一臺5量子比特的量子云，時至今日，IBM已經(jīng)推出了多達(dá)24臺量子云計算平臺，目前可以公開訪問的系統(tǒng)最多包含了127個量子比特。我國從2017年開始，就陸續(xù)有團(tuán)隊開始探索這一模式，最早的是中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院推出的12比特量子計算云平臺。最近，北京量子院幾個團(tuán)隊通力合作，推出了夸父系列量子云平臺，其中包含了一個136比特的量子云。日本本次推出的64比特量子云與我們在技術(shù)上有很多相似之處，不過現(xiàn)在還無法公開訪問，也不對外提供芯片的性能數(shù)據(jù)。比較有意思的是，日本量子云的負(fù)責(zé)人Nakamura，正是二十多年前首次在超導(dǎo)器件中觀測到量子相干震蕩的科學(xué)家，可謂是超導(dǎo)量子計算的奠基人之一。

最后，國外的量子云已經(jīng)對中國進(jìn)行了很大的限制，最好的、最先進(jìn)的量子資源我們早已經(jīng)無法訪問。因此，國內(nèi)自主研發(fā)高質(zhì)量的量子云平臺，對我國量子計算技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)至關(guān)重要。我們致力于提供最好的、穩(wěn)定的自主量子云服務(wù)，也歡迎大家訪問我們的量子云，在上面點亮你們的量點，幫助我們快速成長！

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：金貽榮

審核：張文卓 夸密量子創(chuàng)始人兼CEO，前墨子號衛(wèi)星團(tuán)隊成員

出品：中國科協(xié)科普部

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