国产量子计算云平台重磅上线

5月26日,北京量子信息科学研究院在2023中关村论坛正式发布“Quafu”量子计算云平台,成为十项重大科技成果之一。这一全链条(全栈式)自研的量子计算云平台搭载三枚自研超导量子芯…

5月26日,北京量子信息科学研究院在2023中关村论坛正式发布“Quafu”量子计算云平台,成为十项重大科技成果之一。这一全链条(全栈式)自研的量子计算云平台搭载三枚自研超导量子芯片,单芯片最大比特数达到136,同时测控精度高,最高可以实现18量子比特的全局纠缠,目前这一计算性能已达国际先进水平。目前,量子计算云平台已在包括金融等领域初步应用测试,今后有望在物流、材料、机器学习、药物研发、保密通信等更多领域开展实际应用。

发布:量子计算云平台上线三个不同规格超导量子芯片

量子计算云平台是量子计算综合性能的展示,以互联网云计算的形式,整合量子芯片、测控设备、量子操作系统和应用软件为一体,将量子算力提供给研究及测试者,是量子计算走向实用化的全栈式技术和基础。

北京量子信息科学研究院联合中科院物理研究所和清华大学,共同推出了“Quafu”量子计算云平台,取意“量子未来”,上线三个超导量子芯片,三个芯片分别有136、18和10个量子比特,用户可以自主选择合适的芯片运行量子计算任务。

云平台兼容国际通用的开放量子汇编语言标准,提供了图形界面、量子汇编语言和客户端三种提交量子计算任务的形式,方便用户多种应用需求。

据中科院物理所研究员、北京量子院量子计算云平台团队负责人范桁介绍,目前“Quafu”量子计算云平台在单芯片量子比特数和芯片数量上都处于国内领先地位。云平台测控精度高,可实现18量子比特的全局纠缠,软件功能齐全,是国际先进的量子计算云平台。

18量子比特的全局纠缠意味着什么?“Quafu”团队创始成员、北京量子信息科学研究院博士后王正安告诉北京青年报记者,量子计算的主要性能指标是单枚量子芯片上的量子比特数,“Quafu”目前最大的芯片“ScQ-P136”拥有136个量子比特,在世界范围内仅次于IBM的Osprey芯片,位列第二。

“量子纠缠”是量子特有的一种性质,也是量子计算优势的重要原因之一,“我们可以把量子纠缠理解为一种计算资源,要操控多个量子比特同时实现纠缠非常不容易,‘Quafu’量子计算云平台在云端能够实现18量子比特的全局纠缠,这个在国际上也是达到了先进水平。”王正安解释称。

量子云平台是量子计算机走向应用的关键技术,建设量子计算的生态就是基于此系统。大众可以利用量子云平台进行体验、教学和科研,也可以尝试一些实际应用,比如量子金融、量子模拟、量子游戏等;科研机构和高科技公司可以构建自身的应用软件,而把其中需要涉及量子计算的部分通过云链接到实验室的量子计算机,完成复杂的任务。

 运行:“Quafu”目前已对国内外用户开放测试

据了解,“Quafu”量子计算云平台已对国内外用户开放测试,有2000余名量子计算研究者和学生注册,运行量子计算任务50余万次,显示其运行稳定高效。对于普通用户,该系统免费开放。

北青报记者在快速注册后,进入了这一网站,左侧的边栏显示了:控制面板、编辑器、资源、任务、应用、新闻等。点击后,右侧显示该选项对应的界面,比如点击第一个“控制面板”后,顶端就显示出三个较大的按钮,编辑器、文档、PyQuafu,用户可以点击编辑器直接在线使用量子云计算平台,也可以用文档下载安装后,用程序运行这一云计算平台。

在首页的下方,就是“最新动态”,它会以状态、任务ID、系统名称、队列位、操作等多个方面,提示用户所进行操作的最新进展。再下拉,还会显示用户的资源,包括系统数量和模拟器。

“Quafu”满足了国内科研人员和相关从业者的需求。国内一些研究组,已经通过“Quafu”量子计算云平台远程调用量子芯片,构建各自的科研或者应用软件,量子计算的生态建设已逐步开展。王正安透露,“Quafu”所使用的三枚超导量子芯片从设计到制造全流程都是完全国产的,而三枚芯片的性能也为世界先进水平。这使得“Quafu”量子计算云平台处于国际先进水平,技术上已经可以实现国产替代。

研发:量子纠缠数不断提升迭代后已达到136比特

王正安告诉北青报记者,北京量子院已经成立五年,取得了多项重量级学术成果,也积累了大量科学技术和专业人才。一年多前,“Quafu”量子计算云平台项目成立,并且专门成立了一个量子计算云平台团队,总负责人是范桁研究员。同时,团队充分发挥北京量子院的区位优势,与院内多个团队包括超导量子计算团队、量子算法应用软件团队、量子操作系统软件研发团队等展开了紧密合作,共享积累的技术与经验。很快就从无到有搭建起了“Quafu”量子计算云平台的雏形。参与的成员达到50人以上。

王正安说,最初,“Quafu”只有10比特、18比特和50比特的三个芯片,当时还达不到136,随着芯片的迭代和工艺升级,比特纠缠数也在不断提升,目前经过了第三代迭代,已经可以达到136比特了,这个芯片就是北京量子院于海峰研究员和金贻荣研究员领导的超导量子计算团队所取得的成果。

在研发过程中,也遇到了不少难点。“我们之前一直是在实验室里做实验的,每次在做实验前,我们需要花很大的精力人工对所有设备进行校准,这需要一天甚至几天的时间。对于做实验这样是没有问题的,但是如果要提供云服务的话肯定不行,因为它需要保持7乘24小时都在线,而且运行不能有特别大的波动,所以说我们也自主研发了一整套自动的校正系统,并且也在不断升级中。”

在学术上也有一些难点需要突破。“超导量子芯片在设计时就考虑有不同拓扑结构,这个我们的网站上也有展示,可以看到量子比特之间并不是两两都连在一起的。如果我们要运行的量子程序或者算法要求的拓扑结构与芯片不符合,那么,我们就需要有一套自动的算法去让它进行一个映射或者转换,使得我们也可以满足任意拓扑结构的量子程序运行。同时,这种映射算法还要尽可能考虑到量子比特之间的差异等影响,总体是非常复杂的。”

此外,他们还需要在时间上进行优化,“不能在用户提交一个量子程序后,花费特别长的时间去做优化,这也影响用户体验,因此对算法的速度有非常大的要求。”

体验:芯片比特数量国际领先免费支持相关领域科研

清华大学物理系的博士谢浩楠从去年7月就作为“种子用户”体验“Quafu”量子云计算平台了,他告诉北青报记者,去年春天为了完成科研课题,他开始挑选量子计算云平台。“因为课题是关于量子算法的,所以我希望在论文里添加一部分内容,能够把我的算法放在实际的量子计算机当中运行,来验证它的效果。”谢浩楠说,他起初用了国外的量子计算云平台,花了几百美元使用后,发现芯片的运行效果并不是特别理想,而且会受到噪声干扰,导致误差。他花费很长时间来寻找解决办法,直到一个师兄向他推荐刚上线不久的“Quafu”。在他测试后发现,“Quafu”平台的量子芯片中的噪声比较低,效果比较好,对论文的帮助非常大。

“Quafu”平台免费支持相关领域科研。谢浩楠说,起初“Quafu”仅支持通过网页进行操作,上线三个月后,不仅支持网页访问,更支持下载软件包的方式。对于普通用户来说,可以在网页编辑量子线路的界面,通过可视化线路图去编辑量子程序,再提交到服务器上来运行。谢浩楠他们则更喜欢通过下载它的软件包,通过编辑代码来把量子程序提交到服务器上面。“我们只要写好了代码,就可以让代码自动帮我们完成所有的事情,这样更方便。”

谢浩楠的研究课题是“一种实现虚时演化的量子算法的设计”。他说,这就类似于量子计算当中的一种程序设计。如果没有平台的话,可以用普通计算机去做数值模拟仿真,但如果有平台,就可以在真正的量子计算机上做原理性的演示和验证,这样可以使论文结果更有说服力。

“量子计算机里面是有一些噪声的,我们在经典计算机上模拟的话,一般都是模拟理想情况,就没办法想象出如果有噪声或其他干扰因素时,程序运行结果会不会还是很好,这样就没有办法对算法的优缺点进行评估,也没有办法对算法的抗噪声性作出改进。”谢浩楠说,“有了这个平台之后,我们在使用的过程中可以感受到算法在噪声影响下的运行是什么样子的,从而让我们对算法的性能有一个很好的认识。”

除了“Quafu”,谢浩楠也使用过包括IBM量子计算云平台在内的其他平台。他认为“Quafu”平台比特数量多于其他平台,可以做到10个、18个,甚至100多个。“这也就是说,如果我们想在量子计算机上实现一个比较大规模的量子计算任务的话,那么需要的比特数较多,这样就只能使用‘Quafu’。”

未来:量子云计算将应用到药物研发、金融、物流等领域

王正安表示,量子云计算并不是要代替经典云计算平台,正如量子计算机在定位上也不是要取代经典计算机,而是成为计算机的一个组成部分,就类似与CPU(中央处理器)与GPU(图形处理器)的关系,可以称之为QPU(量子处理单元),起到加速计算的作用。所以量子云计算平台也不可能完全脱离经典计算机单独执行计算任务。

量子云计算的技术主要还是围绕量子计算机展开的,另在量子线路编译、校准、纠错等方面有深入的研究。

量子人工智能与现在的人工智能并非相互替代的关系,而是用量子人工智能来辅助经典的人工智能。“我们之前也和一些企业进行了合作,其中有一个团队正在做量子计算在金融领域中应用的相关研究,在经典神经网络模型中引入了一部分量子的神经网络,取得了非常理想的效果。”

量子云计算应用另一种可能的领域是药物研发。使用者谢浩楠说,生命科学里面承担生命体最主要功能的一种物质是蛋白质,只要能够研究清楚各种蛋白质的性质,就能够对很多的生命活动有更多更深入的了解。蛋白质的功能主要是由它的分子构型决定的,但是如果我们想从理论上计算一个分子的构型,当分子的规模比较大时,计算量是非常庞大的。“一般一个蛋白质分子都是由上千个甚至上万个原子构成的。使用量子计算能够对我们的计算资源进行优化,就可以让计算的时间、需要的比特资源,都减少很多。”

此外,药物研发最主要的是希望设计新的药物分子。药物作用到人体之后会产生什么样的效果,这些化学反应的过程都是需要计算机去模拟的。这些模拟都需要庞大的计算量,而量子计算可以对模拟过程进行加速,对药物研发进程提供比较大的帮助。谢浩楠说,以往要么就在经典计算机上模拟,但是需要的时间很久,要么就在真实的生物化学实验中去验证。“但是如果有一些药物,我们没有办法高效地制备,或者说有一些生物样本我们没有办法高效地获取,那么最好的办法其实还是在计算机上进行模拟。”

范桁也表示,随着人工智能的发展,对算力的要求也越来越多,量子计算也有量子算力的需求,因此,发展量子计算算力并通过云平台来提供给大家,也是量子计算发展的一个非常重要的技术。

“整个量子计算行业发展很快,但是目前基本还是测试阶段,实际应用还很远,估计至少五年后。实际应用的场景有可能较为明确,产生效益或者正反馈估计需要十年左右。这个过程中,主要还是集中于科研探索,或者解决某个学科中的科研问题。”范桁告诉北青报记者。

范桁也表示,下一步“Quafu”量子云平台的发展有两个方向:软件和硬件。“硬件方面计划上线更多芯片,单芯片数目也会一直增长,同时进行量子计算的精度也会一直提升。软件方面,发展更多有应用前景的软件,开始是小规模测试,到一定阶段有望解决一些价值比较小的问题,后续会有望产生更大的价值。如果有较多的应用软件都是基于我们云平台的量子芯片,多场景里总会有些有价值的应用开始出现,并逐步发展起来,所以软件主要是发展基于云平台的生态。”(记者 温婧)

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作者: 云小编

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