“本源量子在以未来市场作为导向开展研发研究,而不是努力在印于论文上不可用的量子计算机上,尽管我们目前属于跟跑状态,但更着重于在将来实用化的这条路上走出第一步”。9月12日合肥本源量子计算机公司发布会现场,郭光灿院士认为,我国量子计算从0到1的道路上更需以应用为导向,而非论文研究,停留在实验室。

一文透析本源量子发布会!郭光灿院士:量子计算应该以应用为导向推进-量子客

在后摩尔时代,算力需求与日俱增,而受物理系统特性的限制,摩尔定律失效打破了人们对极致算力需求的期望。于是,人们将目光投向了量子计算。

近年来,量子计算系统陆续走出实验室,时值2020年,全球百花齐放,无论是硬件还是软件,超导、半导、离子阱、光量子等百家争鸣,甚至量子计算操作系统都如约而至!

本源量子2020发布会上发布了基于真实超导芯片的量子计算云平台,这是中国初创量子公司发布的首个超导量子计算云平台,并开放给大众使用,其后端搭载了6个真实物理量子比特。

 

重点发布产品

本次发布会主要包含三项产品:超导量子云平台、第二代测控一体机和典型量子算法。当然,后面的两项都是量子计算机系统的“准配件”,一切为量子计算机系统服务。

假设将整个量子计算机系统比喻为一个人,则后端的量子芯片(QPU)是大脑,量子云平台是血肉,测控系统是骨,量子算法则是魂。独立的全栈研发,无论是血肉还是骨,还是细到毛发,都要一并研发或熟用。

本次发布的产品技术涵盖了从底层硬件控制优化、云平台到量子应用算法的开发,其目的是给用户、开发者提供简单、易用、高效的全栈量子编程体验,为量子计算产业化做准备。

下面介绍发布会的相关特性:

 

超导量子比特:量子计算机的“大脑”

在量子计算的研制过程中,最让人瞩目的是量子芯片的研制。

据发布方介绍,此次发布的云平台后端连接的是基于真实物理系统的的6-Qubit的超导量子芯片。

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最早发布该技术栈产品的是美国公司IBM,起始于5量子比特,本源采用了不同的拓扑结构,所以起始时多了1个量子比特。

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由该6-Qubit量子芯片组装而成的量子计算机,被命名为“悟源”(尚未发布的另一台基于半导工艺的被命名为“悟本”。)

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两个名字刚好取自本源,悟源中的“源(Y)”同时也取了超导约瑟夫森结中的“约(Y)”,而悟本则与半导体量子点中“半(B)”的首字母相同。合起来,超导、半导悟“本源”。

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回到发布会主体上,这套量子计算机原型机“悟源”中,搭载了本源第一代超导量子芯片——夸父,它是由6个基于超导约瑟夫森结的超导量子比特构成的。

约瑟夫森结是一个尺寸不到1微米的微小器件,它具有一些特殊的量子力学性质,利用这些性质,就可以使用一对约瑟夫森结的组合,再额外加上一个电容结构,就构成了一个参数可控可调的超导量子比特。

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夸父量子芯片必须要工作在接近绝对零度的极低温环境下,才能够达到预期的性能效果。前面动图中演示的就是专为量子芯片提供可靠极低温环境的制冷系统。

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但遗憾的是,制冷机目前对中国而言是非常稀缺的,当下,制冷机被国外极少数几家公司所垄断。当然,后期国产的专用于量子计算机的制冷机相信也很快将会面世。

这里,6-Qubit夸父芯片专门与IBM Q早期提供的芯片做了技术指标比对,从指标可以看出,核心指标上,都能够跟进先进水平,相较之下,前途可期。

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量子计算云平台:量子计算机的“血肉之躯”

之所以首发量子云平台,是因为“血肉之躯”是最能让用户看见或触摸的东西。

一般来说,人们无法直接走进实验室去使用这些昂贵的设备,所以必须通过云的方式远程使用设备(中间连通信息交互的云服务),量子计算云平台应运而生。

一款产品是否能获得用户的认识,“可视”与“可用”是人们第一感知产品的方式,这就是此次发布的主角:超导量子云平台。

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在云平台的整合下,连通了量子计算机系统与用户端。

量子计算机中的量子测控系统的主要功能是接收用户发送的程序指令,并将其转化为脉冲,生成精准的脉冲序列。

脉冲序列打到量子芯片上,执行所需的运算,完成运算后,量子测控系统接收量子芯片返回的原始信号,转化为程序执行结果,返还给用户。利用本源量子云平台,上述的量子计算机系统可以自动化运行。

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发布会上,本源董事长孔伟成表示:“希望量子计算机走出实验室,从科学研究到工程实现,从工程实现再到落地使用。但在此之前,产业化和商业化“关键”突破几乎都是国外企业,而我们在突破这个“关键”。在突破的基础上,希望未来让量子计算变得和现阶段的经典计算机一样简易。”

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当然,呼应郭光灿院士开篇演讲,他也提及所谓的“关键”,还是在于研究导向的问题,从0到1的时候,研究导向就直接关乎于结果。量子计算作为可商业化和落地的产品,必定向实用性方向迈进,其目的也是为了解决真实问题而生,而非成果演示。

欧美国家有大量的私企参与,从IBM、谷歌到霍尼韦尔等,正因为初期开始,就向着应用产品为导向做研究设计,所以用户在使用像IBM提供的量子计算云平台时,其先进性和稳定性也得到同行的赞许。

本源量子云平台的使用主要分三种模式,对应不同类型的用户,提供不同的访问方式。

图形化在线编程,更利于入门级用户的使用,科研工作者则可以使用QPanda或者创建JupyterLab的方式使用,其定制性和功能完整。当然,这个方式,目前已经比较流行。中文版的操作给中国用户带来诸多便捷。

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使用悟源系统时,与模拟系统不太一样,门的使用相对简单。右侧可以看到不可修改的6量子比特。当然,硬件系统和模拟器不一样的地方在于,不能直接出结果,需要排队等候。

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简要测试一了一下著名的搜索算法,Grove算法,这里选择第4个和第5个量子比特做演示。特别强调一下,底下有个打勾选项,开启这个功能可以选择更多的逻辑门,包括跨比特进行双门操作,这个功能非常有用。

对于不同的拓扑结构的量子芯片,由于非全连接,如果要在远距离的量子比特之间进行双门操作,过去在IBM上直接禁止的,但是本源量子此处做了线路优化,可以规避这一严重问题。

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通过计算,可以看到图形化界面对应的代码,以及代码转换后的代码。

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量子计算产业联盟合作伙伴,有免费提供更高权限的内部测试账号,可提供优先使用和更深层次共同研发权限,加速量子计算的实用化进程。

虽然整体与IBM 2020有距离,但是,正如郭光灿院士所言,当下只实现6-Qubit量子计算云平台,相当于国外3-4年前的水平,但是,就像婴儿一样,刚学走路的时候会跌跌撞撞,之后便会健步如飞,最后走在大道前列。

 

测控一体机:量子计算机的“骨”

此次发布的第二个产品是,本源的第二代32比特的量子测控一体机,相较于2018年12月上线的第一代8比特量子测控一体机而言,其第二代量子测控一体机在量子比特数量上提升了4个数量级。

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在整体性能上,全面继承了悟源中的第一代量子测控一体机,但现阶段配置了更专业的量子测控软件,这些都会使得更大规模量子计算机的控制与应用同样高效。支持216通道,并具备200ps同步稳定性。

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量子测控系统是专门为量子芯片的测量和控制量身订制的硬件和软件系统,测控系统为量子芯片提供硬件支持,它能基于量子芯片应用场景的需求,提供量子芯片运行所需的精密信号。

其在精密测量、近距离微波通信、远距离无线电通信等领域都有可开发的应用价值,还能够为众多尖端科学实验研究提供一流的仪器设备解决方案。

 

量子算法:量子计算的“魂”

其最后发布的产品是3个量子应用软件,分别是复杂网络排序应用、手写数字识别和用户偏好行为预测。三款应用基于目前成熟的量子算法,使用本源量子编程框架QPanda与量子编程语言QRunes开发。

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其中,复杂网络排序应用可以对复杂网络节点进行重要性综合评价,探究网络影响力最大化问题;手写数字识别应用通过量子神经网络的模型构建实现线路的参数训练;用户偏好行为预测应用通过实现量子关联规则挖掘算法,加速挖掘分析复杂关联数据之间的内在联系。

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下一步

在明年年底前,将会完成基于60位的超导量子芯片的量子计算机原型机——悟源二代的研制,并完成基于20位半导体量子芯片的量子计算机原型机——悟本一代的研制。

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全球范围内量子云平台部署情况

量子云平台的部署已经在全球范围内启动,2020年将是量子云平台进入在线应用的重要一年。

世界范围内,少数几个量子计算供应商已经完成了量子计算云平台的部署。IBM 于2016年便开始提供基于超导5-Qubit的量子计算云服务,这是全球首个超导量子计算云平台。当然,2018年中国科学院量子技术实验室上线了国内第一个量子云平台,但在公司层面上,本源量子属首个搭载了真实芯片的在线量子计算云平台。

此外,美国Rigetti、加拿大D-wave、美国微软、美国亚马逊、加拿大Xanada先后上线量子计算云平台,详情请参阅量子客文章《国外顶级量子计算云服务盘点》,以上所列均是基于真实的量子计算机提供量子计算云服务的运营商。

总体说来,量子计算已经成为了各量子计算开发商的必争之地,同时也是量子计算产业化从0到1的必经之路。在陆续开发的服务和量子硬件升级过程中,隐隐约约看到了量子计算的曙光。一文透析本源量子发布会!郭光灿院士:量子计算应该以应用为导向推进-量子客

 

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