中科院、阿里云联合发布11量子比特云接入超导量子服务,郭光灿团队64比特量子仿真打破IBM Q记录

2 月 22 日下午,在安徽合肥中科大举办的「中国科学院量子信息与量子科技创新研究院 2018 年度工作会议」上,中科院/中科大团队发布量子计算云平台最新成果。潘建伟院士正式发布中科院联合阿里云打造的 11 量子比特超导量子计算的云平台,这是继 IBM 后全球第二家向公众提供 10 量子比特以上超导量子计算云服务的系统。会上,郭光灿院士团队也介绍其本源量子计算云平台已成功上线 32 比特量子虚拟机,并已经实现了 64 量子比特的量子电路模拟打破 IBM Q 的 56 位仿真记录。

潘建伟团队介绍,目前其正式上线的云平台开放 11 比特的量子计算服务,其单比特门保真度达 99.7%、双比特门保真度达 94.9%。同时已经成功研制出 12 比特的超导量子计算处理器。


该量子计算云平台前端对用户提供云端的量子算法开发测试环境,后端连接经典计算仿真环境或者真实超导量子计算。阿里云方面将提供云计算资源支撑经典计算仿真环境。通过量子计算云平台,用户可以在云端的超导量子处理器上运行自定义的各种量子线路代码,下载相关运行结果。


该平台将吸引更多人在量子计算云平台上运行量子算法,完成初步试验,不仅能用于了解处理器的性能、技术瓶颈等重要特性,还将帮助到下一代处理器开发,为优化应用积累经验。而在云端提供量子计算的创新服务方式,也能从中知悉面临的技术挑战和机会。


现有国内外量子计算云平台主要提供两大类量子计算算力:通过经典计算资源构造的虚拟的量子计算模拟器,和真实的通用量子计算机。中科大阿里量子计算云平台同时提供两种算力服务,在云端可实现经典计算仿真环境与真实量子处理器的完整后端体验,用户可以登录阿里云官网使用。


阿里量子计算云平台用户界面:


图 1:在 11 比特量子处理器上实现三量子比特 GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态的电路图,最后一层是对电路结果进行基于|0>,|1>状态的测量。


图 2: 对图 1 电路执行 30000 次后测量到|000>,|001>,...,|111>状态的概率图。


除用户端服务外,阿里云还提供量子计算的经典仿真,并参与设计测量处理器性能的方案。经典仿真能准确算出量子处理器上的实验结果,与真实处理器结果进行比对,用以测量后者的性能、验证正确性等。


会上,同样来自中科大的郭光灿院士团队成员郭国平介绍,其团队开发的本源量子计算云平台也已成功上线 32 位量子虚拟机,用户可以在搭建了 32 位量子虚拟机的云平台上自行编写和运行量子程序,并可以观察已编辑程序的图像化显示效果,在远程量子服务器上完成编译、执行与测量后在本地获得运算结果。


郭光灿团队同时称已经实现了 64 量子比特的量子电路模拟(使用经典 GPU 虚拟的量子模拟器,属于经典计算机仿真环境),相关论文《64-Qubit Quantum Circuit Simulation》已发表在 arXiv 上 [1]。


本来,普遍观点是超过 50 量子比特的量子计算机无法被经典计算机模拟,甚至是最强大的超级计算机也做不到。但 IBM 打破了这个观念,通过特定的电路模拟方法,他们实现了 56 量子比特的模拟电路。郭光灿团队则利用巧妙的优化方法进一步将这一极限提高到了 64 比特,实际上在论文中他们甚至表示实现了 72 量子比特的模拟电路。


在这项工作中,他们通过分解两比特量子门和将原电路转换成并行子电路的方法,分别模拟了 42、56 和 64 量子比特的 randomized quantum circuit。其中 42 和 56 量子比特的电路只需要一台配置了显卡的个人计算机设备就可以完成模拟计算,而 64 量子比特的电路需要 64 个节点的计算机集群来模拟,但是其消耗的硬件资源相比之前的量子云平台已经大大降低。


图 3:转换两个两比特量子门(图中两个虚线框包含的 CZ 量子门)并生成替换的并行子电路。


比如,去年十月份 IBM 发布了 56 量子比特的量子计算云平台,在相同的超级计算机设备条件下,中科大本源的 56 量子比特模拟电路只需要 987 秒(16.4 分钟)就可以完成模拟计算,IBM 则需要两天的时间。


图 4:不同模拟量子比特数的不同层数(每个层表示当前时间步执行的量子门)的模拟计算时间。


国内目前有三大量子计算云平台,分别来自中科院与阿里云、本源量子计算公司和清华大学 NMRCloudQ 团队。三家于 2017 年 10 月 11 日同时发布上线。


清华大学采用的是核磁共振量子计算机,包含了四个量子比特,保真度超过 98%,这是国际上首个基于核磁共振的量子云计算平台。在中文版上线后的 24 小时内,网站主页独立 IP 访问次数近 2000 次,来自清华大学、中国科大、九院等不同单位近 150 个的注册用户,提交的在线计算任务 80 余次。


量子计算云服务促进量子计算商业化


现阶段各家量子计算机仍然主要为研究人员和科学家做研究和应用探索服务,量子计算云服务平台的面世也标志着量子计算已经走到了商用化的边缘。


IBM 曾于 2016 年 5 月向公众开放了业界首个量子计算云平台,用户可简单通过 API 和 SDK 接口访问 IBM 云端平台连接的 5 量子比特超导计算机以及基于经典计算机编程的量子计算机仿真器,进行量子算法或实验模拟。IBM 也对 Quantum Experience 进行了升级,新的模拟器可以对 20 个量子比特进行建模;并计划推出完整的 SDK,以便开发者能够在 Quantum Experience 之上构建简单的量子计算应用。


IBM 希望通过打造 IBM Q 系统提高其在量子计算应用领域的地位,计划与其他机构合作,共同开发对量子系统专门优化的配套程序。


谷歌也于 2017 年 7 月表示计划将 D-wave 量子退火机接入其云平台。此前其与美国量子计算初创新秀 Rigetti Computing 等机构合作推出 OpenFermion 开源量子计算软件平台,该软件包含一个量子算法库,适用于化学、材料方面的研究工作。OpenFermion 可兼容数种不同的量子计算机,其中包括谷歌、Rigetti 和 IBM 开发的机型,也意在建立以 OpenFermion 为标准的社区,吸引众多开发者使用量子计算机。谷歌还开设了一个「量子孵化数据中心」,用来寻找量子计算在现实生活中的新用例。


Rigetti 也于 2017 年发布「Forest」云计算平台,提供 36 个量子比特的模拟量子处理器,允许开发者通过代码访问 Rigetti 的虚拟量子计算机以及周边的量子计算设备,并表示通过建立量子计算云平台的方式为更多科研用户打造一个量子计算交流的社区比制造出一款成功的量子计算机产品更加重要。


未来展望


量子计算云平台是提供量子计算服务的云计算平台,其出现为广大研究人员和开发者提供了一个更好的量子程序设计和应用开发环境。


现有连接真实通用量子计算机的量子计算云平台通常愿意开放其量子计算中的量子电路层和量子算法层,甚至控制层,而连接经典计算机仿真环境开放的仅有量子算法层。


虽然对于开发真实量子计算机的研究人员来说,现有小数量量子比特的量子计算算力服务远远不够,但是用户可以通过该服务学习量子计算的基本算法思想,并可以在大规模物理硬件实现之前运行和试验量子算法。


同时对于制造量子计算机的科研人员,更希望量子云平台的服务开放到控制层,研究针对量子计算机物理层系统的脉冲控制及优化,来提升量子逻辑门的保真度。


潘建伟院士曾在去年 10 月的云栖大会上表示,量子计算云平台将在未来 5-10 年实现数百个量子比特的相干操纵,届时对特定问题的计算能力将达到目前全世界计算能力总和的 100 万倍。对揭示高温超导、惯性约束核聚变、高效氮固化机制等重大问题,以及指导相关产业技术开发将起到较大的作用,每年将获得数百亿美元的直接经济效益。


参考文献:

1. https://arxiv.org/pdf/1802.06952.pdf

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