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          面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

          ——中國科學院辦院方針

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          國內首個量子計算云平臺上線

          以“云”為裳,量子計算不再“高冷”

          2020-09-23 科技日報 吳長鋒
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          語音播報

          視覺中國供圖

            量子計算云平臺對量子計算資源和成果進行開放共享,并提供各種基于量子計算的衍生服務,可提前釋放量子計算的潛力,進而促進量子計算產業提前布局與生態的良性培養。 

            9月12日,我國企業自主研發的超導量子計算云平臺正式上線,全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務。

            據了解,此次發布的云平臺系中國科學技術大學郭光燦院士團隊的成果轉化企業合肥本源量子計算科技有限責任公司(以下簡稱本源量子)研發。本源量子董事長孔偉成博士表示,該量子云平臺基于國內率先實現工程化的超導量子計算機——悟源打造,搭載了6比特超導量子芯片夸父KF C6—130,保真度、相干時間等技術指標均達到國際先進水平。

            那么,量子計算云平臺是如何搭建的?它跟普通的云平臺又有何不同呢?為此,記者專門采訪了本源量子的相關專家。

            超越經典計算的突破路徑

            要了解量子計算云平臺,首先要弄清楚什么是量子計算。

            量子計算的概念自上世紀80年代提出以來,就被譽為“大自然賦予人類的終極計算能力”。近年來更是成為世界各國爭相布局的前沿領域,IBM、谷歌、Intel等科技巨頭紛紛入局。

            據了解,量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的計算模式,它與現有的經典計算模式完全不同。經典計算使用二進制的數字電子方式進行運算,而二進制總是處于0或1的確定狀態。量子計算則借助量子力學的疊加特性,能夠實現計算狀態的疊加,它不僅包含0和1,還包含0和1同時存在的疊加態。

            “簡單來說,量子計算機就是使用量子器件制造,利用量子的疊加與糾纏特性,運行量子算法與量子軟件的新型計算設備。在處理某些特定問題上,量子計算機相對于經典計算機具有指數級別的計算速度優勢。即便是目前運算速度最快的超級計算機,在量子計算機面前也只能是個算盤。”本源量子公司董事長孔偉成博士告訴科技日報記者。

            對比來說,在解決實際問題的過程中,CPU(中央處理器)采用“串行”計算,即將一個問題的若干部分按照順序依次進行運算;GPU(圖形處理器,一種能非常高效地執行一些專門運算的超高速芯片)采用“并行”計算,即將一個問題拆成若干個小問題后,同時對每個小問題的一部分進行運算;QPU(量子處理單元)則利用量子疊加性快速遍歷問題的各種可能性并找到正確答案。

            形象地說,CPU算力隨比特數n的增長呈線性n增長,GPU算力隨比特數n的增長呈平方次n×n增長,QPU算力隨比特數n的增長呈冪指數2n增長。

            隨著人類對于計算機算力需求的不斷提升,半導體芯片的制程技術也在不斷提高,目前已有多款5納米芯片產品發布。

            “5納米大小相當于40個硅原子,如果硅基半導體器件尺寸繼續縮小至1納米級,那就意味著我們已經從經典物理學深入到了量子物理學領域。”孔偉成說,“在這樣的情境下,摩爾定律即將走向終結,大規模集成電路為基礎的經典計算機到此可以畫上句號。研發量子計算機,就成為了幫助人類繼續提升計算能力的新方向。”

            為世界提供中國量子計算服務

            顧名思義,量子計算云平臺就是提供以量子計算為核心的云服務的平臺。量子程序將被發送到遠程量子服務器上,在云端完成它的編譯、運行與測試調試等一系列過程,然后將結果傳回本地。

            據了解,當前量子計算機仍需要嚴苛的運行環境與復雜的輔助設備,這些系統造價高昂,普通用戶很難接觸到。為了讓更多用戶體驗、學習、探索量子計算,國際主要的量子計算公司都開發了各自的量子云平臺,使用云技術連接用戶與真實的量子計算設備。

            2016年,IBM率先研發出世界上第一個基于5位超導量子計算機的量子云平臺IBM Q Experience。目前,IBM已經有22臺公開的量子計算機,先后有100多家企業單位和科研機構使用了其提供的量子計算云服務。在2019年,亞馬遜、微軟先后上線了量子計算云平臺Braket與Azure Quantum。

            雖然起步較晚,但此次我國企業自主研發的量子計算云平臺同IBM的產品性能相差無幾。據本源量子的官方數據顯示,對比2017年、2020年IBM量子云平臺上公布的量子邏輯門保證度和量子讀取保證度等數據,本源量子公司此次推出的量子計算云平臺目前的水平甚至能夠超過IBM最初建立的云平臺水平。

            孔偉成告訴記者,為滿足不同用戶的開發需求,平臺提供了圖形化編程與代碼編程兩種量子計算在線編程方式,同時推出了復雜網絡排序、手寫數字識別、用戶偏好行為預測3款典型的量子編程應用,供用戶使用。

            “這3款應用基于目前成熟的量子算法,都是由本源量子研究團隊使用自主研發的量子編程框架QPanda與量子編程語言QRunes開發的。”孔偉成告訴記者,復雜網絡排序應用可對給定的網絡進行建模,例如為預測病毒的下一個傳播點提供重要參考,幫助各地更為高效地分配防疫物資與醫療資源;而手寫數字識別應用在AI領域占有舉足輕重的分量,為后續加速計算機視覺量子化處理提供了可能;用戶偏好行為預測應用則能夠實現量子關聯規則數據挖掘算法,將用戶數據編碼到量子疊加態上,并基于此給出用戶偏好預測,相較于經典算法可以達到指數級的加速效果。

            從歷史的維度來看,本次量子計算云平臺的推出,意味著我國的量子計算機正走出實驗室。孔偉成表示,量子計算走出實驗室分為兩個階段,第一個階段是從科學研究到工程實現,第二個階段是從工程實現到產業落地的過渡,量子云平臺的公布,意味著量子計算已經從成熟度較低的科研范疇過渡到技術成熟度更高的工程實現階段。

            將成量子計算爭奪的主戰場

            “從目前的研究來看,未來量子計算有望在密碼破解、化學分子模擬、金融工程、人工智能等領域發揮重大作用。”孔偉成舉例說,在一些有巨大算力需求的傳統行業,如生物制藥、化工、能源等,以現有人類科技的計算能力進行計算的話,所消耗的時間過長、成本巨大;還有另一些本身對計算能力要求較高的科技行業,也將會是量子計算實現商用的領域,例如搜索、數字安全、人工智能、機器學習等等。

            據波士頓咨詢發布的報告預測,在不考慮量子糾錯算法的進展情況下,2035年全球量子計算應用市場規模將達到近20億美元,隨后暴漲到2050年的2600多億美元;若量子計算技術迭代速度超出預期,2035年市場規模可突破600億美元,2050年則有望飆升至2950億美元。

            在此背景下,量子計算云平臺依托互聯網資源,為各類用戶提供云端接入,對量子計算資源和成果進行開放共享,并提供各種基于量子計算的衍生服務,可提前釋放量子計算的潛力,進而促進量子計算產業提前布局與生態的良性培養。

            國外云計算企業在量子云計算方面的競爭開始加劇。如IBM推出20量子比特的量子云服務器,提供了完善的QiKit量子程序開發套件,并建立了完善的開源社區服務。谷歌發布了72量子比特計算機Bristlecone,開發了Cirq量子開源框架,提供了量子化學材料計算的OpenFermion-Cirq用例。

            與此同時,國內量子云服務公司的發展也呈現出蓬勃態勢。除本源量子公司推出量子云計算平臺外,中國科學院量子信息與量子科技創新研究院與阿里云在超導量子計算方向發布了11量子比特的云接入超導量子計算服務。華為也已經發布了HiQ量子計算云服務平臺和兼容ProjectQ量子編程框架。

            目前量子計算云平臺從物理底層、計算引擎、應用軟件開發到上層應用已經具備生態雛形。在量子計算云平臺上培養研究者和用戶的操作習慣,引導諸多行業對量子計算的應用傾向,將為以后計算領域的內核升級奠定生態基礎,可以預見,未來量子計算云平臺勢必會成為量子計算爭奪的主戰場。

          打印 責任編輯:張芳丹
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