普通人如何用上量子计算机？

量子云平台如何构建？

如果有一台经过精细校准的量子芯片测控系统，它对互联网开放了一套API，也就是应用程序接口，我们就可以通过互联网访问到这台量子测控系统，向它发送量子线路并获取返回的测量数据。如果能进一步提供一套相对完整的工具集和调度系统，帮助用户进行量子线路的编译优化，以及比特映射等，并保证大量用户可以同时访问，我们就构建出了一个量子云平台。

这里有必要了解一下什么是“量子测控系统”，以及“量子线路”。前文我们已经大致梳理了计算的几个要素：信息存储和处理单元（比特）、完备的通用逻辑门集、算法和读取。而量子测控系统就是要解决通用量子门的物理实现，以及量子态读取这两个环节，前者对应“控”，后者对应“测”。

以单比特旋转门为例，假如我们希望让某个量子比特QA上的态绕X-轴旋转180度，实际的操作是，向QA上施加一个面积精准的共振微波脉冲。这样的脉冲信号一般是通过一台室温的任意波发生器来编辑并生成的，而量子比特处在极低温，我们该怎样将这个信号精准地送到指定的比特附近呢？这就需要有一根电缆将脉冲源与QA的控制线连接起来。这听起来简单，实现起来却非常不容易，科学家和工程师不仅需要保证有足够的信号传递下去，还要保证室温的热量尽可能少得传下去，确保热噪声和其他噪声源不会顺着电缆偷偷溜到量子比特附近搞破坏。为此，一方面需要采用特殊的低温同轴电缆，另一方面则需要逐级插入各种衰减器、滤波器等器件，整个链路非常精巧。在读取方面，我们需要将极其微弱的量子信号进行逐级放大，并交给室温的采集卡来进行采集和处理。所有这些用于实现精准的量子门操控、精确的量子态读取相关的电子学、电缆、各种微波器件、样品盒等等组成的整体，就是复杂而精巧的“量子测控系统”的物理部分了。此外，测控的软件部分同样非常重要，它负责对测控设备进行高效管理、调控波形、数据处理和可视化，以及相关的工具链等等。

量子测控系统示意图丨图片来源：IBM

而量子线路，则是根据特定目的将上述的量子门和读取组织起来形成的逻辑序列。前面提到的Shor算法，本质上就是一种量子线路。不过它还比较抽象，一般需要做一些转换才能在实际的量子计算机上运行，这就要用到量子云的编译优化工具了。在一个开放的量子云上，用户可以提交各种各样的量子线路，只要符合基本规则。这种开放性质使得量子云要应对的情况，某种程度上比在实验室内进行量子实验还要复杂。

可以想象如下场景：用户直接通过网页、APP访问真实的量子计算资源，高级用户甚至可以集成到自己的应用程序中去，构建自己的量子应用。所有这些工作，都可以坐在办公室里完成，无需亲临布满线路的量子计算实验室，更无需亲自搭建仪器、调试线路——这就是实际可以使用的量子云平台。可以看到，量子云极大的降低了用户使用量子计算资源的门槛，可以让更多人在真实的量子计算机上快速验证和改进自己的想法。让更多的聪明大脑参与进来，是推动量子计算走向实用的终南捷径。

量子云竞争激烈，自主研发是关键

最早以量子云的形式推广量子计算的是IBM， 2016年他们推出了第一台5量子比特的量子云。时至今日，IBM已经推出了多达25台量子云计算平台，目前可以公开访问的系统最多包含了433个量子比特。我国从2017年开始陆续有团队探索这一模式，最早的是中国科学院量子信息与量子科技创新研究院推出的12比特量子计算云平台。目前已经多个研究机构和企业对外提供量子云服务，这次在中关村论坛上发布的Quafu量子云平台，是我国首次推出百比特以上规模的量子云，其意义实际上是非常大的。百量子比特规模的量子计算，从芯片设计、极低温线路布置、测控电子学集成，到测控软件系统构架等，复杂性都较之前大大增加了。再结合更为上层的编译、优化和云前端等软件系统设计与测试，可谓是一项系统性的量子工程挑战。

美国目前拥有最先进的量子云技术，以此为依托的量子应用生态布局也更为深入，需要注意的是，国外的量子云已经对中国进行了很大的限制，最好的、最先进的量子资源我们早已经无法访问（国内只能访问IBM推出较早、比特数较少的量子云系统）。因此，国内自主研发高质量的量子云平台，对我国量子计算技术发展和产业生态建设至关重要。

IBM已上线的量子计算系统，433量子比特的鱼鹰处理器首次上线（来源：

）

最后，我们还应该认识到在量子云布局上国内与IBM有差距，而围绕量子云的量子计算应用生态建设更是刚刚起步，还有很长的路要走。一路上，需要更多来自不同领域的科学家、工程师和企业家携起手来一起前进。希望我国的量子计算技术能稳扎稳打，科研与产业并进，在这一颠覆性的新赛道上，走向世界之巅！

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。

版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不得转载和摘编。转载授权请在「返朴」微信公众号内联系后台。