來自清華團隊的國際首個核磁共振量子計算雲平台上線了

10月11日，量子計算雲平台「中國版」正式啟動，清華大學、阿里巴巴-中科大、本源量子-中科大在同一天發布了量子云平台。

量子信息革命正加速到來，2016年，IBM就向公眾開放了基於雲的量子計算平台，用戶登錄後能使用一台5量子比特的量子計算機進行演算法或實驗模擬；今年3月，IBM又宣布計劃建立業界首個商用通用量子計算平台IBM Q。

在量子計算領域，國內外的競爭十分激烈，就在10月10日，英特爾通過其官網宣布，公司生產出一種包含17個超導量子位的全新晶元，標誌著量子計算正從學術實驗室進入半導體產業，向實用領域邁進。

與IBM不同，清華大學課題組的量子計算雲平台是基於核磁共振量子計算機，不同的量子計算機物理體系有什麼優缺點？我們採訪了清華大學物理系核磁共振量子計算實驗室，他們表示，「我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開」。

核磁共振量子計算實驗室部分工作人員 （李可仁 辛濤作為技術負責，指導老師為龍桂魯，曾蓓 尹章琦 魯大為 李俊 黃詩霖 陸思銳等是合作者）

觀察者網：你們推出的這項量子計算雲服務測試版，是中國第一家此類在線服務嗎？能否透露一下，現在用戶的試用情況如何？

答：我們、源自中科大郭光燦院士團隊的本源量子公司、 阿里巴巴和中科大潘建偉院士團隊合作，共三個團隊在同一天都發布了量子云計算平台。 同時我們還在預印本網站上發布了相關論文。我們實現了網路與真實的核磁共振量子信息處理系統的對接，這是國際上首個基於核磁共振的量子云計算平台，在中文版上線後的24小時內，網站主頁獨立IP訪問次數近2000次，來自清華大學、中國科大、九院等不同單位近150個的註冊用戶，提交的在線計算任務80餘次，也引起了國際以及台灣地區同胞的關注。

觀察者網：你們的量子云平台只包含四個量子比特，但是邏輯門保真度超過98%，可以完成很多步複雜的邏輯門。目前這個平台上完成過哪些有代表性的計算任務，可以介紹一下嗎？

答：核磁共振作為實現量子計算最早的物理平台之一，至今已經發展了許多完善精確的量子操控技術以及積累了豐富的量子計算經驗，在量子計算以及量子模擬等主要量子信息研究領域取得了許多重要的成果，比如用於這次雲計算的譜儀之前在實驗上實現了具有強大搜索能力的Grover演算法，7個量子比特體系的高保真度相干操控，國際上首個和樂量子計算，量子隧穿現象以及植物光合作用等量子模擬。這個量子云平台不僅是個量子計算體驗平台，而且更是一個開展量子計算和量子操控研究的平台，用戶完成可以利用該量子云平台做創新性研究，期待他們能做出出色的成果。

量子云使用規則和量子云運行結果（舉例）

觀察者網：據介紹，量子計算研究有不同層級，從最底層的物理層，到其上的控制層、電路層，一直到最上層的演算法。IBM的量子云服務，開放的是量子計算中的電路層和演算法層。對於想要自己造量子計算機的研究人員來說，這個服務還遠遠不夠。那麼，你們建立自己的量子云平台，能為控制層、物理層的研究帶來哪些幫助？

答：首先，我們建立自己的量子云平台的服務是完全可以開放到控制層的。所謂控制層，按我們的理解，核心是對系統控制脈衝的設計。我們在脈衝設計過程中要綜合考慮時間或能量優化、減少系統誤差、抵抗環境雜訊等問題。核磁共振譜學在半個多世紀的發展中，在脈衝設計方面積累了大量的技術與經驗。特別是近二十年來，基於核磁共振實驗平台的量子控制方法趨向於比較成熟，我們的團隊彙集了這方面的專業隊伍。因此，我們非常有信心將我們的量子云的控制層公開。

將核磁共振量子計算實驗的控制層面自動化，有利於提高我們的科研效率。進一步將控制層開放給用戶，那麼用戶就可以從更基本的層次學習、理解實際量子計算體系是怎麼運行的。實際上，雖然不同的體系有各種各樣的細節上的差異，但在控制層面它們有很多共通的地方，我們期待更多的同行們對此感興趣，將核磁共振成熟的控制方法推廣應用到其它的物理體系。

量子云中組件的連接

觀察者網：通用型的量子計算機還沒有問世，目前形形色色的量子計算原型機各有什麼特點？比如，此前中國發布的光量子計算原型機擅長做玻色取樣，低溫超導系統的原型機可以用來解線性方程組，那麼能否簡要介紹一下你們課題組的核磁共振量子計算機？

答：之所以出現多種不同物理體系的量子計算原型機，主要原因是目前實用化的量子計算機還未問世，而可能實現量子計算機的物理體系有許多，如超導量子系統，離子阱系統，拓撲量子計算體系，量子光學系統，量子點系統等，當然還有我們的核磁共振系統。製造量子計算機對系統有五個要求，不同的系統各有優缺點，都沒有滿足建造量子計算機的所需要滿足的這五個條件，現在大家都在努力，爭取率先實現量子計算機。

觀察者網：IBM新上線的Jerry Chow團隊的量子計算雲服務，背後對應的據說是一台有5個量子位的超導量子計算原型機，這和你們課題組的核磁共振量子計算機有哪些區別？

答：IBM在去年5月便推出了這台5比特的超導量子計算原型機，今年5月他們將這一紀錄提高到了16比特。在IBM的量子計算原型機推出後，在學界引發了一個熱潮，這一年來，利用IBM原型機的科研文章也如雨後春筍般湧出，這對量子計算的發展也有不小的促進作用。反觀國內，缺少這種在線式量子云服務。為了滿足這一需要和發展趨勢，我們利用自己的系統搭建了這一平台。相比於IBM的原型機，由於本質上是兩種不同的物理體系實現量子計算，天然的區別便是不同體系間的區別。超導體系屬於固體量子體系，擅長比特數的擴展。我們的核磁共振體系是系綜量子體系，擅長實現高精度的操作。另一個區別當然是我們只提供四個比特的量子計算原型機。（微笑）

觀察者網：有人說，IBM的雲服務雖然可以在網上供用戶設計門運算，但用戶無法確定，是否真的把你選的運算拿到量子位上做了，還是僅僅模擬一下就顯示結果。如果是模擬實現，是不是意義有限？

答：IBM向網上用戶提供的五量子比特雲計算服務，雖然看不到它的底層比如你之前提到的控制層和物理層，但我們相信用戶所提交的任務是在真實的量子位上運算實現的，而不是簡單的模擬實現。這裡的模擬實現是指實際上量子計算依然用經典計算機運算來模擬的。如果是這樣的實現，用戶也得到了量子計算的體驗，但與實際的量子計算還是有一些差別。核磁共振量子云計算中執行量子計算任務的是一個真正的量子計算體系，計算步驟和將來的大型的實用化的量子計算機是一樣的。這就好比說，利用經典計算機模擬的量子云計算相當于軍事上的一場軍事演習，雖然不是真正的量子計算，但也是很有意義的。而一台有4個比特的核磁共振量子云計算，相當於一場真正的戰役，雖然只有4個士兵參加，卻是一場真正的小型戰役。

觀察者網：我們知道經典計算機也能模擬量子演算法，那麼不同的量子演算法，比如針對整數分解、可用於破解加密的Shor演算法，在核磁共振量子計算機等各類量子計算機上都可以原生實現嗎？對於不同的量子計算機方案，是否實現更多的量子位就是更優的方案？

答：在過去的二十年，人們已經在核磁共振量子計算機上實現了各種量子演算法，包括最早實現了求解大數分解問題的Shor演算法、求解搜索問題的Grover演算法。雖然這些演算法的實現還是在較小的系統上，通常量子比特數不超過7個，但是這些研究展現了量子演算法在真實的量子計算機上是如何運行的，深化了我們對演算法的實際實現，量子計算機的能力，還有現階段技術需要哪些方面的改進等許多問題的認識。另外，隨著超導、離子阱等各種量子體系的技術水平的提升，它們也同樣可以在少數量子位上實現各種量子演算法。

什麼是更優的量子演算法的物理實現方案，我認為至少需要兩個評判標準：一是實現更多量子位的計算，當前在這方面國內外的競爭十分激烈；另一個也需要看在同等規模上，可以實現多麼複雜精細的操控量子門的序列，目前核磁共振實驗平台在這一點上還是保有一定的優勢的。為了實現實用化的量子計算機，最重要的一點是能夠實現量子糾錯，或者是容錯量子計算，這就需要將操作精度提高一個閾值，超過這一閾值才有可能實現量子糾錯，目前核磁共振量子計算所達到的精度已經達到了這一閾值。

觀察者網：無論IBM、谷歌在宣傳自己的量子計算進展時是否誇大其詞，從IBM推出量子云服務這件事看，顯然美國科研人員非常重視量子計算的實用化。目前，中美在量子計算領域的科研賽跑情況如何？

答：量子計算領域已經引起了國內外各界廣泛的關注，包括國家政府，軍隊，企業公司，高校科研單位等，他們從不盡相同的角度投入到量子計算的研究中。十幾年前，國內大力開展量子信息的研究，經過多年的努力，特別是在量子通信領域，目前已經做到世界領先了。當前量子計算被列入了十三五重大研究計劃，國內的一些企業公司也開始致力於量子計算的研究，比如自主研發屬於國內的量子云計算平台。相信在這樣良好的環境下，十幾年後我們國家的量子計算也能取得世界領先的地位。

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