量子技術的新突破,首個核磁共振量子云平臺上線

　　　　無論IBM、谷歌在宣傳自己的量子計算進展時是否夸大其詞，從IBM推出量子云服務這件事看，顯然美國科研人員非常重視量子計算的實用化。而今我們的國際量子計算云平臺也上線了量子計算云平臺“中國版”正式啟動，清華大學、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算平臺，用戶登錄后能使用一臺5量子比特的量子計算機進行算法或實驗模擬；今年3月，IBM又宣布計劃建立業(yè)界首個商用通用量子計算平臺IBM Q。

　　在量子計算領域，國內外的競爭十分激烈，就在10月10日，英特爾通過其官網宣布，公司生產出一種包含17個超導量子位的全新芯片，標志著量子計算正從學術實驗室進入半導體產業(yè)，向實用領域邁進。

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

　　核磁共振量子計算實驗室部分工作人員 （李可仁 辛濤作為技術負責，指導老師為龍桂魯，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隊的本源量子公司、 阿里巴巴和中科大潘建偉院士團隊合作，共三個團隊在同一天都發(fā)布了量子云計算平臺。 同時我們還在預印本網站上發(fā)布了相關論文。我們實現(xiàn)了網絡與真實的核磁共振量子信息處理系統(tǒng)的對接，這是國際上首個基于核磁共振的量子云計算平臺，在中文版上線后的24小時內，網站主頁獨立IP訪問次數(shù)近2000次，來自清華大學、中國科大、九院等不同單位近150個的注冊用戶，提交的在線計算任務80余次，也引起了國際以及***地區(qū)同胞的關注。

　　量子云平臺只包含四個量子比特，但是邏輯門保真度超過98%，可以完成很多步復雜的邏輯門。目前這個平臺上完成過哪些有代表性的計算任務。

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

　　量子云使用規(guī)則和量子云運行結果（舉例）

　　據(jù)介紹，量子計算研究有不同層級，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，開放的是量子計算中的電路層和算法層。對于想要自己造量子計算機的研究人員來說，這個服務還遠遠不夠。那么，你們建立自己的量子云平臺，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的服務是完全可以開放到控制層的。所謂控制層，按我們的理解，核心是對系統(tǒng)控制脈沖的設計。我們在脈沖設計過程中要綜合考慮時間或能量優(yōu)化、減少系統(tǒng)誤差、抵抗環(huán)境噪聲等問題。核磁共振譜學在半個多世紀的發(fā)展中，在脈沖設計方面積累了大量的技術與經驗。特別是近二十年來，基于核磁共振實驗平臺的量子控制方法趨向于比較成熟，我們的團隊匯集了這方面的專業(yè)隊伍。因此，我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開。

　　將核磁共振量子計算實驗的控制層面自動化，有利于提高我們的科研效率。進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習、理解實際量子計算體系是怎么運行的。實際上，雖然不同的體系有各種各樣的細節(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此感興趣，將核磁共振成熟的控制方法推廣應用到其它的物理體系。

　　量子云中組件的連接

　　通用型的量子計算機還沒有問世，目前形形色色的量子計算原型機各有什么特點？比如，此前中國發(fā)布的光量子計算原型機擅長做玻色取樣，低溫超導系統(tǒng)的原型機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算機？

　　之所以出現(xiàn)多種不同物理體系的量子計算原型機，主要原因是目前實用化的量子計算機還未問世，而可能實現(xiàn)量子計算機的物理體系有許多，如超導量子系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)，拓撲量子計算體系，量子光學系統(tǒng)，量子點系統(tǒng)等，當然還有我們的核磁共振系統(tǒng)。制造量子計算機對系統(tǒng)有五個要求，不同的系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，都沒有滿足建造量子計算機的所需要滿足的這五個條件，現(xiàn)在大家都在努力，爭取率先實現(xiàn)量子計算機。

　　IBM新上線的Jerry Chow團隊的量子計算云服務，背后對應的據(jù)說是一臺有5個量子位的超導量子計算原型機，這和你們課題組的核磁共振量子計算機有哪些區(qū)別？

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

　　有人說，IBM的云服務雖然可以在網上供用戶設計門運算，但用戶無法確定，是否真的把你選的運算拿到量子位上做了，還是僅僅模擬一下就顯示結果。如果是模擬實現(xiàn)，是不是意義有限？

　　IBM向網上用戶提供的五量子比特云計算服務，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是在真實的量子位上運算實現(xiàn)的，而不是簡單的模擬實現(xiàn)。這里的模擬實現(xiàn)是指實際上量子計算依然用經典計算機運算來模擬的。如果是這樣的實現(xiàn)，用戶也得到了量子計算的體驗，但與實際的量子計算還是有一些差別。核磁共振量子云計算中執(zhí)行量子計算任務的是一個真正的量子計算體系，計算步驟和將來的大型的實用化的量子計算機是一樣的。這就好比說，利用經典計算機模擬的量子云計算相當于軍事上的一場軍事演習，雖然不是真正的量子計算，但也是很有意義的。而一臺有4個比特的核磁共振量子云計算，相當于一場真正的戰(zhàn)役，雖然只有4個士兵參加，卻是一場真正的小型戰(zhàn)役。

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

　　在過去的二十年，人們已經在核磁共振量子計算機上實現(xiàn)了各種量子算法，包括最早實現(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。雖然這些算法的實現(xiàn)還是在較小的系統(tǒng)上，通常量子比特數(shù)不超過7個，但是這些研究展現(xiàn)了量子算法在真實的量子計算機上是如何運行的，深化了我們對算法的實際實現(xiàn)，量子計算機的能力，還有現(xiàn)階段技術需要哪些方面的改進等許多問題的認識。另外，隨著超導、離子阱等各種量子體系的技術水平的提升，它們也同樣可以在少數(shù)量子位上實現(xiàn)各種量子算法。

　　什么是更優(yōu)的量子算法的物理實現(xiàn)方案，我認為至少需要兩個評判標準：一是實現(xiàn)更多量子位的計算，當前在這方面國內外的競爭十分激烈；另一個也需要看在同等規(guī)模上，可以實現(xiàn)多么復雜精細的操控量子門的序列，目前核磁共振實驗平臺在這一點上還是保有一定的優(yōu)勢的。為了實現(xiàn)實用化的量子計算機，最重要的一點是能夠實現(xiàn)量子糾錯，或者是容錯量子計算，這就需要將操作精度提高一個閾值，超過這一閾值才有可能實現(xiàn)量子糾錯，目前核磁共振量子計算所達到的精度已經達到了這一閾值。

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

　　量子計算領域已經引起了國內外各界廣泛的關注，包括國家政府，軍隊，企業(yè)公司，高?？蒲袉挝坏?，他們從不盡相同的角度投入到量子計算的研究中。十幾年前，國內大力開展量子信息的研究，經過多年的努力，特別是在量子通信領域，目前已經做到世界領先了。當前量子計算被列入了十三五重大研究計劃，國內的一些企業(yè)公司也開始致力于量子計算的研究，比如自主研發(fā)屬于國內的量子云計算平臺。相信在這樣良好的環(huán)境下，十幾年后我們國家的量子計算也能取得世界領先的地位。