迅速破解大数分解问题，量子云平台势在必行

最近有一个新闻，称日本理化研究所（简称理研），在三月底发布了首台国产量子计算机并可以通过互联网使用。这台量子计算机将包含64个量子比特，并且，它还将与日本的明星超级计算机“富岳”组合，形成经典+量子的混合计算能力，致力于2025年达到实用化。这个模式并不是日本首创，IBM目前是这个方面的领导者。今天就来聊一下这种备受关注量子算力共享模式——量子云。

首先还是先快速介绍一下量子计算的工作方式。我们现在用到的计算方式，包括电脑、手机、计算器等等，都是基于二进制逻辑的，最底层的信息存储和处理单元叫做比特，它可以处于0或1两种状态之一，大量的比特连接在一起，并在上面执行一系列的逻辑操作，比如与门、与非门、异或门等等，最终去获取存储着计算结果的那一组比特的状态，就能够进行各种各样的运算了。这种计算方式我们称之为经典计算。

在这里我们看到了计算的四要素：第一是信息的存算单元——比特，第二是作用在比特上的一组通用逻辑门操作，第三是算法，即逻辑门是如何组织并映射到比特上的，第四就是读取。量子计算同样需要具备这几大要素，不过利用了量子力学的叠加和纠缠等基本原理之后，就产生了很多经典计算所不具备的能力。首先，量子计算的基本信息处理单元是量子比特，它是一个最简单的量子系统——两能级系统，作为类比，我们可以分别将这两个能级标记为0和1。由于量子态的叠加性，这样一个系统可以处在0和1的叠加态，也就是部分是0，部分是1。这种叠加特性赋予了量子比特更强的信息编码能力，也就是同时表达多种状态的能力。而如果我们将多个量子比特耦合在一起，还可以将它们纠缠起来，这也是经典比特所不具备的能力。很难详细解释纠缠，简单来说就是，纠缠的比特中，信息的表达必须当成一个整体来看，而且其维度随着比特数量的增长是指数增长的，这就为计算提供了一个指数增长的编码空间，理论上能够实现指数级的计算加速能力。如果我们能找到这样一对能级并且能够不断地扩展，能在这些量子比特上执行精确的量子门操作，然后能够准确地测量它们的量子态，最后能设计出好的量子算法，我们就有可能完成一些不可思议的高效计算。比如著名的Shor算法，能够将大数分解问题的复杂性降低到准多项式级，从而有可能将互联网通用的RSA密码或椭圆曲线密码在很短时间内破解掉，产生的威胁度可以说直接关系到国家安全。

现实中，能够构建出量子比特的物理系统有很多种，可以是基于光子、电子、原子、分子、原子核、晶格缺陷等等，熟悉一点量子计算的听众可能听说过超导量子计算、离子阱量子计算、半导体量子计算、光量子计算等等，本质上就是它们基于的物理体系不同产生的不同技术路线。各种技术路线发展的历史和进展情况不同，所处的阶段也就不同。目前，超导和离子阱是大家认为最有前景的几个技术方案之一，这次日本即将公开到互联网的量子计算机，就是基于超导方案的。

不管是超导还是离子阱，其技术阶段仍处于应用示范阶段，急需要应用端提出需求来，以更加精准的规划未来的研究方向和路线，应用端也急需在真实的量子硬件上测试并优化自己的算法，以尽快产生实际的效益。而另一方面，量子计算的技术门槛和资金投入都非常高，高品质的量子计算资源非常稀缺，无论是高校研究所从事量子算法理论研究的，还是企业从事量子技术需求探索的，都很难获取这些量子计算资源。因此，急需一种开放共享机制来将研发端与应用端紧密连接起来。目前大家认为最好的方式，就是量子云平台。

如果我们有一台经过了精细校准的量子芯片测控系统，它对互联网开放了一套API，也就是应用程序接口，我们就可以通过互联网访问到这台量子测控系统，向它发送量子线路并获取返回的测量数据。如果我们能进一步提供一套相对完整的工具集和调度系统，帮助用户进行量子线路的编译优化，以及比特映射等，并保证大量用户可以同时访问，我们就构建出了一个量子云平台。用户可以直接通过网页、APP访问真实的量子计算资源，高级用户甚至可以集成到自己的应用程序中去，构建自己的量子应用。所有这些工作，都可以坐在办公室里完成，无需亲临布满线路的量子计算实验室，更无需亲自搭建仪器、调试线路。可以看到，量子云极大的降低了用户使用量子计算资源的门槛，可以让更多人在真实的量子计算机上快速的验证和改进自己的想法。让更多的聪明大脑参与进来，是推动量子计算走向实用的终南捷径。

最早以量子云的形式推广量子计算的是IBM，它在2016年就推出了第一台5量子比特的量子云，时至今日，IBM已经推出了多达24台量子云计算平台，目前可以公开访问的系统最多包含了127个量子比特。我国从2017年开始，就陆续有团队开始探索这一模式，最早的是中国科学院量子信息与量子科技创新研究院推出的12比特量子计算云平台。最近，北京量子院几个团队通力合作，推出了夸父系列量子云平台，其中包含了一个136比特的量子云。日本本次推出的64比特量子云与我们在技术上有很多相似之处，不过现在还无法公开访问，也不对外提供芯片的性能数据。比较有意思的是，日本量子云的负责人Nakamura，正是二十多年前首次在超导器件中观测到量子相干震荡的科学家，可谓是超导量子计算的奠基人之一。

最后，国外的量子云已经对中国进行了很大的限制，最好的、最先进的量子资源我们早已经无法访问。因此，国内自主研发高质量的量子云平台，对我国量子计算技术发展和产业生态建设至关重要。我们致力于提供最好的、稳定的自主量子云服务，也欢迎大家访问我们的量子云，在上面点亮你们的量点，帮助我们快速成长！

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：金贻荣

审核：张文卓 夸密量子创始人兼CEO，前墨子号卫星团队成员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司