极简科学课 | 什么是量子计算

原标题：极简科学课 | 什么是量子计算

中央纪委国家监委网站 王小宁

　　我国企业自主研发的6比特超导量子计算云平台日前正式上线，全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。那什么是量子计算呢？量子计算机和普通的计算机又有何不同呢？为此，记者专门采访了云平台研发单位本源量子公司的相关专家。

　　量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，它与现有计算模式完全不同。在理解量子计算的概念时，通常将它与经典计算相比较。经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算借助量子力学的叠加特性，能够实现计算状态的叠加。它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。

研究人员正在调配“悟源”超导量子计算机芯片系统

　　简单来说，量子计算机就是使用量子器件制造，利用量子的叠加与纠缠特性，运行量子算法与量子软件的新型计算设备。在处理某些特定问题上相对于经典计算机具有指数级别的加速优势，为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。

　　此次发布的云平台系中国科学技术大学郭光灿院士团队的成果转化企业合肥本源量子公司研发，2020年8月，该团队成功研制出“悟源”超导量子计算机。“悟源”超导量子计算机采用国际主流的设计架构，由量子芯片、量子低温系统、量子计算机测控系统等硬件系统与量子软件系统构成。其中量子低温系统保障量子芯片在绝对零度（零下273.15摄氏度）附近运行；而测控系统是输入、输出和控制系统。“量子芯片是量子计算机的核心部件，量子芯片的作用类似于经典计算机中的CPU，一般一个量子芯片上有多个量子比特，通过量子测控系统发送的脉冲序列来实现不同量子比特之间的量子门操作，进而进行特定的量子计算。”本源量子董事长孔伟成介绍。

量子计算机组成结构示意图

　　当前量子计算机仍需要严苛的运行环境与复杂的辅助设备，这些系统造价高昂，普通用户很难接触。为了让更多的用户体验、学习、探索量子计算，国际主要的量子计算公司都开发了各自的量子云平台，使用云技术连接用户与真实的量子计算设备。

　　最早推出量子计算云平台是IBM，其在2016年就上线了基于真实量子计算机的云平台IBM Q Experience，最早发布的是5量子比特的计算系统。在2019年，亚马逊、微软先后上线了量子计算云平台Braket与Azure Quantum。

“悟源”超导量子计算机外观

　　此次发布的超导量子计算云平台，基于量子计算机“悟源”，搭载了6比特超导量子芯片夸父KF C6—130，保真度、相干时间等技术指标均达到国际先进水平。同时，为满足普通用户的体验需求与专业用户的开发需求，平台提供了图形化编程与代码编程两种量子计算在线编程方式。

　　为了让用户使用该平台开发出更为多样的量子算法与量子程序，本源量子公司还开发了量子编程框架“量子熊猫”（QPanda）与量子编程语言“量子音符”（QRunes），开发并推出了复杂网络排序、手写数字识别、用户偏好行为预测3款典型的量子编程应用，供用户学习使用。

　　QPanda是国内首个自主研发的量子计算编程框架。它的设计理念是为“NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，嘈杂中型量子）设备”的应用而生的量子编程框架，即Quantum Programming Architecture for NISQ Device Application，每个单词的首字母正好构成QPanda“量子熊猫”。QRunes是本源量子公司2019年全新发布的高级量子语言，基于量子计算机体系结构和NISQ混合算法角度提出。

　　中国科学院院士、中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室主任、本源量子联合创始人兼科学顾问郭光灿介绍，人类社会从经典技术时代跨越到量子的技术时代，其标志就是量子计算机的发展。据了解，本源量子已在研发下一代24比特超导量子芯片与量子计算机控制系统，预计在明年底推出60比特的“悟源”超导量子计算机。

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