5月26日，北京量子信息科學研究院在2023中關(guan) 村論壇正式發布“Quafu”量子計算雲(yun) 平台，成為(wei) 十項重大科技成果之一。這一全鏈條(全棧式)自研的量子計算雲(yun) 平台搭載三枚自研超導量子芯片，單芯片最大比特數達到136，同時測控精度高，最高可以實現18量子比特的全局糾纏，目前這一計算性能已達國際先進水平。目前，量子計算雲(yun) 平台已在包括金融等領域初步應用測試，今後有望在物流、材料、機器學習(xi) 、藥物研發、保密通信等更多領域開展實際應用。

發布

量子計算雲(yun) 平台上線三個(ge) 不同規格超導量子芯片

量子計算雲(yun) 平台是量子計算綜合性能的展示，以互聯網雲(yun) 計算的形式，整合量子芯片、測控設備、量子操作係統和應用軟件為(wei) 一體(ti) ，將量子算力提供給研究及測試者，是量子計算走向實用化的全棧式技術和基礎。

北京量子信息科學研究院聯合中科院物理研究所和清華大學，共同推出了“Quafu”量子計算雲(yun) 平台，取意“量子未來”，上線三個(ge) 超導量子芯片，三個(ge) 芯片分別有136、18和10個(ge) 量子比特，用戶可以自主選擇合適的芯片運行量子計算任務。

雲(yun) 平台兼容國際通用的開放量子匯編語言標準，提供了圖形界麵、量子匯編語言和客戶端三種提交量子計算任務的形式，方便用戶多種應用需求。

據中科院物理所研究員、北京量子院量子計算雲(yun) 平台團隊負責人範桁介紹，目前“Quafu”量子計算雲(yun) 平台在單芯片量子比特數和芯片數量上都處於(yu) 國內(nei) 領先地位。雲(yun) 平台測控精度高，可實現18量子比特的全局糾纏，軟件功能齊全，是國際先進的量子計算雲(yun) 平台。

18量子比特的全局糾纏意味著什麽(me) ？“Quafu”團隊創始成員、北京量子信息科學研究院博士後王正安告訴北京青年報記者，量子計算的主要性能指標是單枚量子芯片上的量子比特數，“Quafu”目前最大的芯片“ScQ-P136”擁有136個(ge) 量子比特，在世界範圍內(nei) 僅(jin) 次於(yu) IBM的Osprey芯片，位列第二。

“量子糾纏”是量子特有的一種性質，也是量子計算優(you) 勢的重要原因之一，“我們(men) 可以把量子糾纏理解為(wei) 一種計算資源，要操控多個(ge) 量子比特同時實現糾纏非常不容易，‘Quafu’量子計算雲(yun) 平台在雲(yun) 端能夠實現18量子比特的全局糾纏，這個(ge) 在國際上也是達到了先進水平。”王正安解釋稱。

量子雲(yun) 平台是量子計算機走向應用的關(guan) 鍵技術，建設量子計算的生態就是基於(yu) 此係統。大眾(zhong) 可以利用量子雲(yun) 平台進行體(ti) 驗、教學和科研，也可以嚐試一些實際應用，比如量子金融、量子模擬、量子遊戲等；科研機構和高科技公司可以構建自身的應用軟件，而把其中需要涉及量子計算的部分通過雲(yun) 鏈接到實驗室的量子計算機，完成複雜的任務。

運行

“Quafu”目前已對國內(nei) 外用戶開放測試

據了解，“Quafu”量子計算雲(yun) 平台已對國內(nei) 外用戶開放測試，有2000餘(yu) 名量子計算研究者和學生注冊(ce) ，運行量子計算任務50餘(yu) 萬(wan) 次，顯示其運行穩定高效。對於(yu) 普通用戶，該係統免費開放。

北青報記者在快速注冊(ce) 後，進入了這一網站，左側(ce) 的邊欄顯示了：控製麵板、編輯器、資源、任務、應用、新聞等。點擊後，右側(ce) 顯示該選項對應的界麵，比如點擊第一個(ge) “控製麵板”後，頂端就顯示出三個(ge) 較大的按鈕，編輯器、文檔、PyQuafu，用戶可以點擊編輯器直接在線使用量子雲(yun) 計算平台，也可以用文檔下載安裝後，用程序運行這一雲(yun) 計算平台。

在首頁的下方，就是“最新動態”，它會(hui) 以狀態、任務ID、係統名稱、隊列位、操作等多個(ge) 方麵，提示用戶所進行操作的最新進展。再下拉，還會(hui) 顯示用戶的資源，包括係統數量和模擬器。

“Quafu”滿足了國內(nei) 科研人員和相關(guan) 從(cong) 業(ye) 者的需求。國內(nei) 一些研究組，已經通過“Quafu”量子計算雲(yun) 平台遠程調用量子芯片，構建各自的科研或者應用軟件，量子計算的生態建設已逐步開展。王正安透露，“Quafu”所使用的三枚超導量子芯片從(cong) 設計到製造全流程都是完全國產(chan) 的，而三枚芯片的性能也為(wei) 世界先進水平。這使得“Quafu”量子計算雲(yun) 平台處於(yu) 國際先進水平，技術上已經可以實現國產(chan) 替代。

研發

量子糾纏數不斷提升迭代後已達到136比特

王正安告訴北青報記者，北京量子院已經成立五年，取得了多項重量級學術成果，也積累了大量科學技術和專(zhuan) 業(ye) 人才。一年多前，“Quafu”量子計算雲(yun) 平台項目成立，並且專(zhuan) 門成立了一個(ge) 量子計算雲(yun) 平台團隊，總負責人是範桁研究員。同時，團隊充分發揮北京量子院的區位優(you) 勢，與(yu) 院內(nei) 多個(ge) 團隊包括超導量子計算團隊、量子算法應用軟件團隊、量子操作係統軟件研發團隊等展開了緊密合作，共享積累的技術與(yu) 經驗。很快就從(cong) 無到有搭建起了“Quafu”量子計算雲(yun) 平台的雛形。參與(yu) 的成員達到50人以上。

王正安說，最初，“Quafu”隻有10比特、18比特和50比特的三個(ge) 芯片，當時還達不到136，隨著芯片的迭代和工藝升級，比特糾纏數也在不斷提升，目前經過了第三代迭代，已經可以達到136比特了，這個(ge) 芯片就是北京量子院於(yu) 海峰研究員和金貽榮研究員領導的超導量子計算團隊所取得的成果。

在研發過程中，也遇到了不少難點。“我們(men) 之前一直是在實驗室裏做實驗的，每次在做實驗前，我們(men) 需要花很大的精力人工對所有設備進行校準，這需要一天甚至幾天的時間。對於(yu) 做實驗這樣是沒有問題的，但是如果要提供雲(yun) 服務的話肯定不行，因為(wei) 它需要保持7乘24小時都在線，而且運行不能有特別大的波動，所以說我們(men) 也自主研發了一整套自動的校正係統，並且也在不斷升級中。”

在學術上也有一些難點需要突破。“超導量子芯片在設計時就考慮有不同拓撲結構，這個(ge) 我們(men) 的網站上也有展示，可以看到量子比特之間並不是兩(liang) 兩(liang) 都連在一起的。如果我們(men) 要運行的量子程序或者算法要求的拓撲結構與(yu) 芯片不符合，那麽(me) ，我們(men) 就需要有一套自動的算法去讓它進行一個(ge) 映射或者轉換，使得我們(men) 也可以滿足任意拓撲結構的量子程序運行。同時，這種映射算法還要盡可能考慮到量子比特之間的差異等影響，總體(ti) 是非常複雜的。”

此外，他們(men) 還需要在時間上進行優(you) 化，“不能在用戶提交一個(ge) 量子程序後，花費特別長的時間去做優(you) 化，這也影響用戶體(ti) 驗，因此對算法的速度有非常大的要求。”

體(ti) 驗

芯片比特數量國際領先免費支持相關(guan) 領域科研

清華大學物理係的博士謝浩楠從(cong) 去年7月就作為(wei) “種子用戶”體(ti) 驗“Quafu”量子雲(yun) 計算平台了，他告訴北青報記者，去年春天為(wei) 了完成科研課題，他開始挑選量子計算雲(yun) 平台。“因為(wei) 課題是關(guan) 於(yu) 量子算法的，所以我希望在論文裏添加一部分內(nei) 容，能夠把我的算法放在實際的量子計算機當中運行，來驗證它的效果。”謝浩楠說，他起初用了國外的量子計算雲(yun) 平台，花了幾百美元使用後，發現芯片的運行效果並不是特別理想，而且會(hui) 受到噪聲幹擾，導致誤差。他花費很長時間來尋找解決(jue) 辦法，直到一個(ge) 師兄向他推薦剛上線不久的“Quafu”。在他測試後發現，“Quafu”平台的量子芯片中的噪聲比較低，效果比較好，對論文的幫助非常大。

“Quafu”平台免費支持相關(guan) 領域科研。謝浩楠說，起初“Quafu”僅(jin) 支持通過網頁進行操作，上線三個(ge) 月後，不僅(jin) 支持網頁訪問，更支持下載軟件包的方式。對於(yu) 普通用戶來說，可以在網頁編輯量子線路的界麵，通過可視化線路圖去編輯量子程序，再提交到服務器上來運行。謝浩楠他們(men) 則更喜歡通過下載它的軟件包，通過編輯代碼來把量子程序提交到服務器上麵。“我們(men) 隻要寫(xie) 好了代碼，就可以讓代碼自動幫我們(men) 完成所有的事情，這樣更方便。”

謝浩楠的研究課題是“一種實現虛時演化的量子算法的設計”。他說，這就類似於(yu) 量子計算當中的一種程序設計。如果沒有平台的話，可以用普通計算機去做數值模擬仿真，但如果有平台，就可以在真正的量子計算機上做原理性的演示和驗證，這樣可以使論文結果更有說服力。

“量子計算機裏麵是有一些噪聲的，我們(men) 在經典計算機上模擬的話，一般都是模擬理想情況，就沒辦法想象出如果有噪聲或其他幹擾因素時，程序運行結果會(hui) 不會(hui) 還是很好，這樣就沒有辦法對算法的優(you) 缺點進行評估，也沒有辦法對算法的抗噪聲性作出改進。”謝浩楠說，“有了這個(ge) 平台之後，我們(men) 在使用的過程中可以感受到算法在噪聲影響下的運行是什麽(me) 樣子的，從(cong) 而讓我們(men) 對算法的性能有一個(ge) 很好的認識。”

除了“Quafu”，謝浩楠也使用過包括IBM量子計算雲(yun) 平台在內(nei) 的其他平台。他認為(wei) “Quafu”平台比特數量多於(yu) 其他平台，可以做到10個(ge) 、18個(ge) ，甚至100多個(ge) 。“這也就是說，如果我們(men) 想在量子計算機上實現一個(ge) 比較大規模的量子計算任務的話，那麽(me) 需要的比特數較多，這樣就隻能使用‘Quafu’。”

未來

量子雲(yun) 計算將應用到藥物研發、金融、物流等領域

王正安表示，量子雲(yun) 計算並不是要代替經典雲(yun) 計算平台，正如量子計算機在定位上也不是要取代經典計算機，而是成為(wei) 計算機的一個(ge) 組成部分，就類似與(yu) CPU(中央處理器)與(yu) GPU(圖形處理器)的關(guan) 係，可以稱之為(wei) QPU(量子處理單元)，起到加速計算的作用。所以量子雲(yun) 計算平台也不可能完全脫離經典計算機單獨執行計算任務。

量子雲(yun) 計算的技術主要還是圍繞量子計算機展開的，另在量子線路編譯、校準、糾錯等方麵有深入的研究。

量子人工智能與(yu) 現在的人工智能並非相互替代的關(guan) 係，而是用量子人工智能來輔助經典的人工智能。“我們(men) 之前也和一些企業(ye) 進行了合作，其中有一個(ge) 團隊正在做量子計算在金融領域中應用的相關(guan) 研究，在經典神經網絡模型中引入了一部分量子的神經網絡，取得了非常理想的效果。”

量子雲(yun) 計算應用另一種可能的領域是藥物研發。使用者謝浩楠說，生命科學裏麵承擔生命體(ti) 最主要功能的一種物質是蛋白質，隻要能夠研究清楚各種蛋白質的性質，就能夠對很多的生命活動有更多更深入的了解。蛋白質的功能主要是由它的分子構型決(jue) 定的，但是如果我們(men) 想從(cong) 理論上計算一個(ge) 分子的構型，當分子的規模比較大時，計算量是非常龐大的。“一般一個(ge) 蛋白質分子都是由上千個(ge) 甚至上萬(wan) 個(ge) 原子構成的。使用量子計算能夠對我們(men) 的計算資源進行優(you) 化，就可以讓計算的時間、需要的比特資源，都減少很多。”

此外，藥物研發最主要的是希望設計新的藥物分子。藥物作用到人體(ti) 之後會(hui) 產(chan) 生什麽(me) 樣的效果，這些化學反應的過程都是需要計算機去模擬的。這些模擬都需要龐大的計算量，而量子計算可以對模擬過程進行加速，對藥物研發進程提供比較大的幫助。謝浩楠說，以往要麽(me) 就在經典計算機上模擬，但是需要的時間很久，要麽(me) 就在真實的生物化學實驗中去驗證。“但是如果有一些藥物，我們(men) 沒有辦法高效地製備，或者說有一些生物樣本我們(men) 沒有辦法高效地獲取，那麽(me) 最好的辦法其實還是在計算機上進行模擬。”

範桁也表示，隨著人工智能的發展，對算力的要求也越來越多，量子計算也有量子算力的需求，因此，發展量子計算算力並通過雲(yun) 平台來提供給大家，也是量子計算發展的一個(ge) 非常重要的技術。

“整個(ge) 量子計算行業(ye) 發展很快，但是目前基本還是測試階段，實際應用還很遠，估計至少五年後。實際應用的場景有可能較為(wei) 明確，產(chan) 生效益或者正反饋估計需要十年左右。這個(ge) 過程中，主要還是集中於(yu) 科研探索，或者解決(jue) 某個(ge) 學科中的科研問題。”範桁告訴北青報記者。

範桁也表示，下一步“Quafu”量子雲(yun) 平台的發展有兩(liang) 個(ge) 方向：軟件和硬件。“硬件方麵計劃上線更多芯片，單芯片數目也會(hui) 一直增長，同時進行量子計算的精度也會(hui) 一直提升。軟件方麵，發展更多有應用前景的軟件，開始是小規模測試，到一定階段有望解決(jue) 一些價(jia) 值比較小的問題，後續會(hui) 有望產(chan) 生更大的價(jia) 值。如果有較多的應用軟件都是基於(yu) 我們(men) 雲(yun) 平台的量子芯片，多場景裏總會(hui) 有些有價(jia) 值的應用開始出現，並逐步發展起來，所以軟件主要是發展基於(yu) 雲(yun) 平台的生態。”