本文简要介绍了量子计算的背景和发展历程，以及其物理实现的候选系统，如超导量子计算和离子阱量子计算等，分析了量子计算的发展前景和路线图。在此基础上，阐述了什么是量子云计算，以及它对量子计算研究与产业发展的重要意义。最后简要分析了量子云计算在量子信息人才培养上所起的作用。

前言

到目前为止，量子力学是描述自然运行规律最成功的理论之一。20世纪20年代，量子力学的创立成功解释了原子光谱、放射性等微观物理现象。第二次世界大战期间，在量子力学的理论指导下，人们发明了原子弹、氢弹等战略核武器。二战后，人们发明了电子计算机、激光等颠覆性技术，并逐步发展成当今的半导体工业和信息技术，其背后的理论基础都离不开量子力学。

可以说，过去100年量子力学的研究取得了极大的成功，但人们对其理论基础的争论一直持续至今。其中最有名的是1935年爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)提出的EPR佯谬(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)，这一佯谬凸显出了量子力学的非定域性。1964年贝尔(Bell)提出了有名的Bell不等式，让EPR佯谬从纯粹思辨变为可以实验验证的问题。从20世纪80年代开始，对Bell不等式的实验验证一直持续到了2015年，直到毫无漏洞为止。随着对量子力学基础研究的逐步深入，人们开始研究基于量子物理规律运行的量子信息科学：利用量子物理特有的量子相干、量子纠缠等特性，以崭新的方式实现信息的处理、存储和传输。

量子信息包括量子通信、量子计算和量子精密测量等研究方向，研究表明量子信息技术有望超越经典信息技术的理论极限。1984年，量子保密通讯方案出现，它能在相距较远的两个节点之间实现抵抗攻击的安全通讯，揭示了量子力学在保密通讯领域的重大应用前景。1994年，彼得·肖尔(Peter Shor)提出了一个用于解决质因数分解问题的量子算法，其速度与任何已知的经典算法的速度相比都有指数级的提高，揭示了量子计算巨大的潜力。在量子信息诸多方向中，量子计算吸引了许多学科的研究人员参与研究，并取得了长足的进步。本文将简要介绍量子计算的基本原理、潜在实现途径以及把量子计算芯片放到网络云平台上之后所激发出的新应用与研究方向。

量子计算技术的发展

量子计算的基本思想是20世纪80年代初由保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)、理查德·费曼(Richard P. Feynman)和尤里·玛宁(Yuri Manin)各自独立提出来的：保罗·贝尼奥夫提出了量子力学版本的图灵机，理查德·费曼和尤里·玛宁则认为量子计算机有望模拟经典计算机解决不了的问题。由于量子系统具有天然的并行处理能力，用它实现的计算机很可能会在某些方面远远超越经典计算机。1994年，彼得·肖尔提出分解大质因数的高效量子算法后，在国际上引发了广泛关注，促使量子计算开始迅速发展。

经过20多年的研究，对于如何建造量子计算机，人们已经有比较清晰的构思。戴维·迪文森佐(David DiVincenzo)在 2000年提出了建造实用量子计算机的5项基本要求：

1. 一个能表征量子比特并可扩展的物理系统；

2. 能够把量子比特初始化为一个标准态，这相当于要求量子计算的输入态是已知的；

3. 退相干相对于量子门操作时间要足够长，这保证在系统退相干之前能够完成整个量子计算；

4. 构造一系列普适的量子门完成量子计算；

5. 具备对量子计算的末态进行测量的能力。

下面简要解释一下这五个要求。我们需要找到合适的系统来承载量子比特，作为量子计算的载体。所谓量子比特就是把经典信息的基本单元比特扩展到量子世界的产物。不同于经典比特只需要0和1，量子比特实际上是定义为0态与1态的任意量子叠加态。类似于经典计算机，我们需要把量子计算机初始化，也就是把所有的量子比特都重置为0态。在进行计算的过程中，错误和耗散是很难避免的。为此，我们需要保证量子逻辑门操作的时间远小于量子比特的退相干时间，从而获得高保真度的量子逻辑门。1998年，人们证明，当量子计算过程中的误差或错误小于一定阈值时，就能通过纠错技术实现容错量子计算。阈值大小与具体物理系统以及量子计算机的体系架构关系很大。2000年前后，此阈值被认为在万分之一量级。近年来，利用新发展的表面码理论，容错量子计算的阈值已达到1%量级，但实现单个逻辑量子比特所需物理比特的数目达上千个。我们也需要让有限量子门操作组合起来实现任意的量子计算，在完成计算之后，还需要把计算结果高精度、高效率地读出来。

可见，实现量子计算机的第一步是找到合适的材料或者物理系统来承载量子比特。目前看来技术成熟度最高的是离子阱和超导电路系统。早在1995年，戴维·维因兰德(Dave Wineland)组就实现了基于离子阱的通用量子逻辑门，2012年获得诺贝尔物理学奖。经过二十多年的发展，在离子阱量子计算中，不论是量子比特初始化、通用量子逻辑门，还是量子比特读出，这几个关键步骤的保真度都超过了99%，基本满足了上述5条判据的要求。此外，离子阱的量子存储时间也非常长，清华大学金奇奂教授组最近经过实验证明离子阱量子相干时间可超过一个小时。

超导电路量子计算是最近十年发展最为迅速的技术，它基于超导约瑟夫森节非线性效应实现人工二能级量子比特，且与现有半导体技术兼容，因而得到人们广泛的关注。超导量子计算刚出现时，其量子比特相干时间只有10纳秒，基于超导量子电路完成的量子逻辑门保真度只有80%左右。2006年，耶鲁大学研究组发明了新型的Transmon量子比特，极大地提升了量子相干时间。如今，超导量子比特相干时间已经延长了3个量级，从几十纳秒提升到100微秒，超导电路量子逻辑门保真度也已达到99.5%，突破了容错量子计算的阈值。

随着量子计算技术的迅速发展，2012年加州理工学院约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)教授提出了所谓量子优越性(quantum supremacy)的概念。他认为，当我们可以操控的量子比特数目达到50~100个时，专用量子计算机（量子模拟器）的计算能力有望超越目前最好的经典计算机。在量子计算机上设计合适的算法，可以完成某些特定的计算任务，解决经典计算机难以计算的问题。基于此构想，人们规划了实现通用可容错量子计算的路线图：第一步是利用量子计算机完成经典计算机无法完成的任务，即实现量子优越性；第二步是针对某些特定的实际问题，让量子计算机真正用起来；第三步是实现可容错、可编程的通用量子计算机。

量子计算路线图的第一步已基本实现。2019年，基于含有53个超导量子比特的芯片，谷歌公司完成了随机电路取样的实验，首次验证了量子优越性。2020年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队基于线性光学系统完成了超过50个光子的高斯玻色取样实验，用不同的路径实现了量子优越性。目前，人们正基于中等尺度（50~100个量子比特）含噪声量子计算机，探索量子计算机的实际应用。比如利用随机电路取样实验产生可验证的随机数，对于加密数字货币和加密协议有重要的应用价值；基于玻色取样实验，人们正在研究其在分子光谱模拟计算上的应用；基于量子退火算法，研究其在路径优化等问题上的应用；还有人把量子计算与机器学习结合起来，探索量子机器学习的应用。

量子云计算的缘起与应用

正是看到了量子计算的巨大潜力，最近几年此技术得到产业界的重点关注。美国的谷歌、IBM、微软等大公司都在量子计算上投入巨资，设立研发团队。中国的华为、腾讯、阿里巴巴、百度等公司也建立了量子计算研究中心。随着产业界的介入，量子计算技术的发展速度大幅度提升，开始逐步由产业界引领，比如谷歌公司首次实现了量子优越性实验。量子计算创业公司也纷纷涌现：基于离子阱的美国的IonQ公司和奥地利的AQT公司都已实现超过20个量子比特的量子计算机；基于超导电路的Riggeti公司实现了超过32个量子比特的量子计算机。中国也出现了本源量子、量旋等公司，专注于量子计算技术研发。

产业界开展量子计算研发的这几年，正是云计算产业蓬勃发展的时期。IBM公司看到了产业趋势，把量子计算技术与云计算技术结合起来，2016年5月发布了首个完全免费的量子云计算服务，吸引了全世界的目光。一年后，IBM的量子云平台升级，16量子比特的芯片上线。后来IBM又陆续上线了25量子比特，乃至超过50量子比特的量子云服务，但只开放给IBM的合作伙伴。近年来，提供量子云服务的公司越来越多。微软公司与IonQ、Honeywell等公司合作，发布了Azure量子云服务平台，给付费用户提供11个量子比特的离子阱量子云服务。亚马逊公司发布了Braket，与IonQ、Riggeti等公司合作，提供基于离子阱和超导的量子云服务。

量子计算的研究是分层级的，不同专长的人通常会研究不同的层级。最底层是物理层，研究如何设计量子计算的芯片电路、量子比特所承载的材料等，物理专业背景的人才大都在此层级开展研究。在这之上是量子控制层，涉及对量子计算芯片的最优化控制与读出等，需要大量应用物理和电子工程专业的人才。量子控制层之上是量子电路层，这一层包含做量子计算理论模型分析经常要用的量子逻辑门序列等，因而电子工程和计算机背景的人才都可以大显身手。在量子电路层之上是量子算法层面，再往上，会涉及量子纠错的逻辑量子比特、量子容错计算以及量子程序，等等。在此层级开展研究，最好有理论计算机和程序设计的研究背景。

IBM量子云服务给用户开放了量子计算中的量子电路层和量子算法层，为广大程序员参与量子计算研究打开了大门。IBM量子云团队参照Python程序语言规范，设计了相应的量子计算程序语言。用户可以根据要运行的算法设计量子电路，撰写相应的量子计算程序。用户把程序发送到云端，由IBM量子云的经典计算机服务器转换为量子控制脉冲信号，操控量子计算机运作，得到计算结果之后再返回给用户。对于用户来说，利用量子云服务，可以学习量子计算的基本理论与方法，对量子计算机有直观的感受。这个服务的界面对具有程序设计背景的人是非常友好的，他们学会了量子计算的算法规则后，就可自己编程，控制云端服务器完成相应的计算任务。

量子云服务开放后，最先受益的是量子信息理论研究者。他们的理论想法在量子云平台上申请（购买）机时就可以直接得到验证（即使找不到实验合作者也没关系）。有些学者用量子云来研究测试量子物理的基础；另外一些人测试量子云计算系统的稳定性，把量子纠错等算法应用到这个系统中，并研究其计算能力。量子云服务的影响已经渗透到其他领域，从事机器学习、金融风险分析、路线优化等不同领域的学者都在利用量子云平台开展研究，迄今为止基于IBM量子云所完成的论文已经有几百篇了。可以预见，以后基于量子云计算系统的各种应用研究将会大量涌现。

IBM免费开放量子云计算的举措可谓一举数得。不但大幅度提升了IBM量子计算研究组的公众形象，而且吸引了大量的研究者免费帮助他们测试系统，节省了IBM自己做测试的人力。这些做测试的人，会产生出很多相关的论文，相当于在学术界为IBM量子计算组进一步正名。让人意想不到的是，随着微软和亚马逊等公司在其云平台上线量子云服务，它已经为量子计算公司带来收入，支撑量子计算产业的良性发展。

展望

2016年IBM量子云的发布，对我国量子计算研究者产生了巨大的心理冲击：美国的量子计算研究本就遥遥领先，在量子云技术刚刚出现的关键时刻，如果我们不赶紧行动起来，未来差距将难以追赶！2017年10月，清华大学、中科大-阿里巴巴联合团队以及本源量子公司各自发布了自己的量子云平台，中国的量子云研究与实践由此起步。

笔者有幸参加了清华大学量子云平台的研发。虽然当时IBM量子云开放了量子电路和量子算法层服务，但是对于想要自己研发量子计算机的研究人员来说，这个服务远远不够。我们更关心量子控制层，针对物理层如何优化控制脉冲，提升量子逻辑门的保真度，等等。在研发清华大学量子云平台时，我们同时开放了量子控制层，使用户能更灵活地使用量子云服务。后来IBM量子云平台也开放了部分量子控制层，发布了名为OpenPulse的服务。

量子云服务已经出现5年了，笔者基于此服务完成了不少科研和教学工作：指导本科生基于量子云开展研究，已在量子信息领域顶级刊物上发表多篇论文。在笔者看来，量子云服务首先是一个极好的教学平台，特别适合大学教师在量子信息或者量子计算课程上使用，也适合对量子计算有兴趣的程序员自学。随着量子云计算能力的迅速提升，量子云服务正在成为量子计算领域研究者必不可少的工具，为量子计算的实际应用提供原理性测试平台。从更大的信息技术发展的视角来看，量子云还是连接量子计算与经典计算研究的接口，人们正在基于量子云研究量子计算机体系结构。未来实用量子计算机的工业标准很可能会基于量子云平台发展起来。

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尹璋琦

CCF专业会员。北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授，青年长江学者。主要研究方向为量子计算与量子精密测量。

zqyin@bit.edu.cn

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