量子技术的新突破,首个核磁共振量子云平台上线

　　　　无论IBM、谷歌在宣传自己的量子计算进展时是否夸大其词，从IBM推出量子云服务这件事看，显然美国科研人员非常重视量子计算的实用化。而今我们的国际量子计算云平台也上线了量子计算云平台“中国版”正式启动，清华大学、阿里巴巴-中科大、本源量子-中科大在同一天发布了。

　　量子信息革命正加速到来，2016年，IBM就向公众开放了基于云的量子计算平台，用户登录后能使用一台5量子比特的量子计算机进行算法或实验模拟；今年3月，IBM又宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台IBM Q。

　　在量子计算领域，国内外的竞争十分激烈，就在10月10日，英特尔通过其官网宣布，公司生产出一种包含17个超导量子位的全新芯片，标志着量子计算正从学术实验室进入半导体产业，向实用领域迈进。

　　与IBM不同，清华大学课题组的量子计算云平台是基于核磁共振量子计算机，不同的量子计算机物理体系有什么优缺点？我们采访了清华大学物理系核磁共振量子计算实验室，他们表示，“我们非常有信心将我们的量子云的控制层公开”。

　　核磁共振量子计算实验室部分工作人员 （李可仁 辛涛作为技术负责，指导老师为龙桂鲁，曾蓓 尹章琦 鲁大为 李俊 黄诗霖 陆思锐等是合作者）

　　源自中科大郭光灿院士团队的本源量子公司、 阿里巴巴和中科大潘建伟院士团队合作，共三个团队在同一天都发布了量子云计算平台。 同时我们还在预印本网站上发布了相关论文。我们实现了网络与真实的核磁共振量子信息处理系统的对接，这是国际上首个基于核磁共振的量子云计算平台，在中文版上线后的24小时内，网站主页独立IP访问次数近2000次，来自清华大学、中国科大、九院等不同单位近150个的注册用户，提交的在线计算任务80余次，也引起了国际以及台湾地区同胞的关注。

　　量子云平台只包含四个量子比特，但是逻辑门保真度超过98%，可以完成很多步复杂的逻辑门。目前这个平台上完成过哪些有代表性的计算任务。

　　核磁共振作为实现量子计算最早的物理平台之一，至今已经发展了许多完善精确的量子操控技术以及积累了丰富的量子计算经验，在量子计算以及量子模拟等主要量子信息研究领域取得了许多重要的成果，比如用于这次云计算的谱仪之前在实验上实现了具有强大搜索能力的Grover算法，7个量子比特体系的高保真度相干操控，国际上首个和乐量子计算，量子隧穿现象以及植物光合作用等量子模拟。这个量子云平台不仅是个量子计算体验平台，而且更是一个开展量子计算和量子操控研究的平台，用户完成可以利用该量子云平台做创新性研究，期待他们能做出出色的成果。

　　量子云使用规则和量子云运行结果（举例）

　　据介绍，量子计算研究有不同层级，从最底层的物理层，到其上的控制层、电路层，一直到最上层的算法。IBM的量子云服务，开放的是量子计算中的电路层和算法层。对于想要自己造量子计算机的研究人员来说，这个服务还远远不够。那么，你们建立自己的量子云平台，能为控制层、物理层的研究带来哪些帮助？

　　首先，我们建立自己的量子云平台的服务是完全可以开放到控制层的。所谓控制层，按我们的理解，核心是对系统控制脉冲的设计。我们在脉冲设计过程中要综合考虑时间或能量优化、减少系统误差、抵抗环境噪声等问题。核磁共振谱学在半个多世纪的发展中，在脉冲设计方面积累了大量的技术与经验。特别是近二十年来，基于核磁共振实验平台的量子控制方法趋向于比较成熟，我们的团队汇集了这方面的专业队伍。因此，我们非常有信心将我们的量子云的控制层公开。

　　将核磁共振量子计算实验的控制层面自动化，有利于提高我们的科研效率。进一步将控制层开放给用户，那么用户就可以从更基本的层次学习、理解实际量子计算体系是怎么运行的。实际上，虽然不同的体系有各种各样的细节上的差异，但在控制层面它们有很多共通的地方，我们期待更多的同行们对此感兴趣，将核磁共振成熟的控制方法推广应用到其它的物理体系。

　　量子云中组件的连接

　　通用型的量子计算机还没有问世，目前形形色色的量子计算原型机各有什么特点？比如，此前中国发布的光量子计算原型机擅长做玻色取样，低温超导系统的原型机可以用来解线性方程组，那么能否简要介绍一下你们课题组的核磁共振量子计算机？

　　之所以出现多种不同物理体系的量子计算原型机，主要原因是目前实用化的量子计算机还未问世，而可能实现量子计算机的物理体系有许多，如超导量子系统，离子阱系统，拓扑量子计算体系，量子光学系统，量子点系统等，当然还有我们的核磁共振系统。制造量子计算机对系统有五个要求，不同的系统各有优缺点，都没有满足建造量子计算机的所需要满足的这五个条件，现在大家都在努力，争取率先实现量子计算机。

　　IBM新上线的Jerry Chow团队的量子计算云服务，背后对应的据说是一台有5个量子位的超导量子计算原型机，这和你们课题组的核磁共振量子计算机有哪些区别？

　　IBM在去年5月便推出了这台5比特的超导量子计算原型机，今年5月他们将这一纪录提高到了16比特。在IBM的量子计算原型机推出后，在学界引发了一个热潮，这一年来，利用IBM原型机的科研文章也如雨后春笋般涌出，这对量子计算的发展也有不小的促进作用。反观国内，缺少这种在线式量子云服务。为了满足这一需要和发展趋势，我们利用自己的系统搭建了这一平台。相比于IBM的原型机，由于本质上是两种不同的物理体系实现量子计算，天然的区别便是不同体系间的区别。超导体系属于固体量子体系，擅长比特数的扩展。我们的核磁共振体系是系综量子体系，擅长实现高精度的操作。另一个区别当然是我们只提供四个比特的量子计算原型机。

　　有人说，IBM的云服务虽然可以在网上供用户设计门运算，但用户无法确定，是否真的把你选的运算拿到量子位上做了，还是仅仅模拟一下就显示结果。如果是模拟实现，是不是意义有限？

　　IBM向网上用户提供的五量子比特云计算服务，虽然看不到它的底层比如你之前提到的控制层和物理层，但我们相信用户所提交的任务是在真实的量子位上运算实现的，而不是简单的模拟实现。这里的模拟实现是指实际上量子计算依然用经典计算机运算来模拟的。如果是这样的实现，用户也得到了量子计算的体验，但与实际的量子计算还是有一些差别。核磁共振量子云计算中执行量子计算任务的是一个真正的量子计算体系，计算步骤和将来的大型的实用化的量子计算机是一样的。这就好比说，利用经典计算机模拟的量子云计算相当于军事上的一场军事演习，虽然不是真正的量子计算，但也是很有意义的。而一台有4个比特的核磁共振量子云计算，相当于一场真正的战役，虽然只有4个士兵参加，却是一场真正的小型战役。

　　我们知道经典计算机也能模拟量子算法，那么不同的量子算法，比如针对整数分解、可用于破解加密的Shor算法，在核磁共振量子计算机等各类量子计算机上都可以原生实现吗？对于不同的量子计算机方案，是否实现更多的量子位就是更优的方案？

　　在过去的二十年，人们已经在核磁共振量子计算机上实现了各种量子算法，包括最早实现了求解大数分解问题的Shor算法、求解搜索问题的Grover算法。虽然这些算法的实现还是在较小的系统上，通常量子比特数不超过7个，但是这些研究展现了量子算法在真实的量子计算机上是如何运行的，深化了我们对算法的实际实现，量子计算机的能力，还有现阶段技术需要哪些方面的改进等许多问题的认识。另外，随着超导、离子阱等各种量子体系的技术水平的提升，它们也同样可以在少数量子位上实现各种量子算法。

　　什么是更优的量子算法的物理实现方案，我认为至少需要两个评判标准：一是实现更多量子位的计算，当前在这方面国内外的竞争十分激烈；另一个也需要看在同等规模上，可以实现多么复杂精细的操控量子门的序列，目前核磁共振实验平台在这一点上还是保有一定的优势的。为了实现实用化的量子计算机，最重要的一点是能够实现量子纠错，或者是容错量子计算，这就需要将操作精度提高一个阈值，超过这一阈值才有可能实现量子纠错，目前核磁共振量子计算所达到的精度已经达到了这一阈值。

　　无论IBM、谷歌在宣传自己的量子计算进展时是否夸大其词，从IBM推出量子云服务这件事看，显然美国科研人员非常重视量子计算的实用化。目前，中美在量子计算领域的科研赛跑情况如何？

　　量子计算领域已经引起了国内外各界广泛的关注，包括国家政府，军队，企业公司，高校科研单位等，他们从不尽相同的角度投入到量子计算的研究中。十几年前，国内大力开展量子信息的研究，经过多年的努力，特别是在量子通信领域，目前已经做到世界领先了。当前量子计算被列入了十三五重大研究计划，国内的一些企业公司也开始致力于量子计算的研究，比如自主研发属于国内的量子云计算平台。相信在这样良好的环境下，十几年后我们国家的量子计算也能取得世界领先的地位。