張萌 王敬 趙文玉 張海懿

(中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所,北京 100191)

0 引言

量子計算利用量子態(tài)的糾纏、疊加等特性提供一種新的計算范式,有望在特定計算困難問題求解過程中提供指數(shù)級加速,是后摩爾時代先進(jìn)計算有力候選方案之一。目前,量子計算硬件研發(fā)存在多條技術(shù)路線,其中超導(dǎo)技術(shù)路線備受關(guān)注,國內(nèi)外科技企業(yè)紛紛布局,離子阱、光量子、硅量子點、中性原子等其他技術(shù)路線近年來科研成果也是亮點紛呈[1-13]?？傮w而言,量子計算硬件研發(fā)還處于前沿探索和開放競爭的狀態(tài),尚未達(dá)到實用化階段。同時,基于含噪聲的中型量子(Noisy Intermediate Scale Quantum,NISQ)硬件的應(yīng)用探索也如火如荼地進(jìn)行,但仍面臨“不可能三角”的困局[14],即同時具有量子優(yōu)越性、實用價值以及NISQ硬件可行性三個條件的“殺手級”應(yīng)用尚未找到。未來,量子計算產(chǎn)業(yè)落地需要同時推動硬件研發(fā)和應(yīng)用探索。

考慮到量子計算硬件尚不成熟,并且需要高額的研發(fā)、運(yùn)維成本,為了讓更多的研究人員和行業(yè)用戶參與量子計算硬件、軟件、算法和應(yīng)用的研究,近年來量子計算云平臺逐漸成為量子計算算力輸出的主要形式。用戶依托經(jīng)典的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,訪問云端的量子計算處理器。用戶編寫的量子線路或程序通過網(wǎng)絡(luò)提交給云端的經(jīng)典服務(wù)器進(jìn)行編譯和下發(fā),在真實的量子處理器硬件或量子線路模擬器上運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果最終反饋給用戶,實現(xiàn)運(yùn)算的閉環(huán)運(yùn)行。目前,國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)陸續(xù)發(fā)布自己的量子計算云平臺,以此推動量子計算產(chǎn)業(yè)落地和生態(tài)建設(shè)已成為業(yè)界共識。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與分類

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前,量子計算云平臺提供商主要分布在美國、加拿大、歐洲與中國。其中,美國布局量子計算云平臺比較早,以IBM、亞馬遜、谷歌、微軟為代表的科技公司和以Rigetti、Strangeworks等為代表的初創(chuàng)企業(yè)先后推出各自的量子計算云平臺,對外提供量子計算硬件或量子線路模擬器的云接入,以及相應(yīng)的編程語言、應(yīng)用軟件,并積極構(gòu)建開源社區(qū)和生態(tài)體系。隨后,加拿大和歐洲各國及地區(qū)也相繼推出量子計算云平臺。歐洲和美國量子計算云平臺商業(yè)化趨勢比較明確,IBM、亞馬遜率先推出計費(fèi)服務(wù)模式,付費(fèi)用戶可以獲得更高的接入權(quán)限和更好的服務(wù)體驗。

我國在量子計算云平臺方面起步晚于歐洲和美國,但是近年來多家科技公司、初創(chuàng)企業(yè)和研究院所陸續(xù)推出自己的量子計算云平臺,并且在編程語言、編譯框架、應(yīng)用服務(wù)、接入體驗等方面進(jìn)行積極的嘗試,有效支撐我國量子計算科學(xué)研究、科普推廣和應(yīng)用探索。從數(shù)量上看,我國已進(jìn)入全球第一梯隊。我國云平臺提供商包括華為、百度等傳統(tǒng)科技公司,也包括本源量子計算科技(合肥)股份有限公司(簡稱“本源量子”)、深圳量旋科技有限公司(簡稱“量旋科技”)、北京中科弧光量子軟件技術(shù)有限公司(簡稱“弧光量子”)等專注于量子計算的初創(chuàng)企業(yè),還包括北京量子信息科學(xué)研究院、中國科學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)。由于基于云的開發(fā)運(yùn)維能力有所差異,國內(nèi)云平臺服務(wù)水平也參差不齊,目前主要面向科研用戶提供免費(fèi)的接入服務(wù)。

1.2 服務(wù)模式分類

量子計算云平臺將量子計算機(jī)硬件或量子計算模擬器與經(jīng)典云計算軟件工具、通信設(shè)備及IT基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合,為用戶提供直觀化及實例化的量子計算接入訪問與算力服務(wù)。量子計算云平臺具有如下特點：網(wǎng)絡(luò)連接,量子計算硬件資源不是部署在本地,用戶通過網(wǎng)絡(luò)接入云端并使用服務(wù);資源共享,量子計算硬件與經(jīng)典信息與通信技術(shù)(Information and Communications Technology,ICT)資源不為某個特定用戶專有;彈性、按需的服務(wù),用戶按照需求占用和釋放資源;服務(wù)可測量,服務(wù)提供者可按照用戶對資源的使用量進(jìn)行計費(fèi)。不同的量子計算云平臺提供的服務(wù)也不盡相同,因此可按照服務(wù)模式對其進(jìn)行分類。

按照云平臺服務(wù)提供的資源所在層次,可以分為量子基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Quantum Infrastructure as a Service,Q-IaaS)、量子平臺即服務(wù)(Quantum Platform as a Service,Q-PaaS)和量子軟件即服務(wù)(Quantum Software as a Service,Q-SaaS)。Q-IaaS將量子計算機(jī)的硬件及配套設(shè)施作為服務(wù)在量子計算云平臺上提供給用戶。用戶可以調(diào)用云平臺上的硬件(包括量子計算機(jī)、量子計算模擬器、經(jīng)典服務(wù)器、存儲器等)而無需對其進(jìn)行維護(hù),實現(xiàn)低成本的底層開發(fā)和科學(xué)研究等活動。Q-PaaS將量子計算相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和中間件組成的開發(fā)平臺作為服務(wù)在量子計算云平臺上提供給用戶。用戶可以基于量子計算軟件開發(fā)平臺開發(fā)量子編程框架和量子算法庫,并通過云端服務(wù)器連接到不同公司量子計算硬件進(jìn)行計算。支持單一平臺開發(fā)或跨平臺兼容開發(fā);支持經(jīng)典-量子混合計算,并自動分配經(jīng)典計算資源和量子計算資源。Q-SaaS根據(jù)特定行業(yè)應(yīng)用場景和應(yīng)用需求將打包好的應(yīng)用服務(wù)方案作為服務(wù)在量子計算云平臺上提供給用戶。用戶可以依靠量子算力解決特定的實際問題,并且無需全面掌握量子知識和編程能力。

按照云平臺供應(yīng)商側(cè)提供服務(wù)的模式主要分為兩大類：第一類供應(yīng)商自身參與量子計算硬件的研發(fā),將自研的量子計算機(jī)或基于經(jīng)典算力的量子線路模擬器放在云端,向用戶提供云接入服務(wù),典型企業(yè)包括IonQ、Xanadu、Rigetti、本源量子等;第二類供應(yīng)商則憑借其云計算技術(shù)與資源,使其云平臺可接入其他公司的量子計算硬件或軟件系統(tǒng),為用戶提供量子計算服務(wù),典型企業(yè)包括Microsoft、Amazon、Strangeworks等。此外,還有一些云平臺既能接入自研的量子計算硬件,也支持其他廠家硬件資源的接入與調(diào)用,比如IBM除了自研的多款超導(dǎo)量子計算芯片,還可以調(diào)用AQT、IonQ的量子計算硬件資源。國內(nèi)的百度量易伏量子計算云平臺也允許接入和調(diào)用自研的超導(dǎo)量子計算處理器、中國科學(xué)院物理研究所的超導(dǎo)量子計算處理器以及中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的離子阱量子計算處理器。

按照云平臺計費(fèi)模式可以分為付費(fèi)型和免費(fèi)型,付費(fèi)型又包含即用即付型和按操作付費(fèi)型,免費(fèi)型指量子計算云平臺提供免費(fèi)的接入和使用權(quán)限。一些云平臺也提供部分免費(fèi)服務(wù),即提供一定的免費(fèi)次數(shù)或免費(fèi)時長,或云平臺中部分資源免費(fèi)。即用即付型,也稱為計時付費(fèi),用戶按照接入云平臺或量子硬件的時長進(jìn)行計費(fèi)。按操作付費(fèi)型是根據(jù)基于某一確定后端的操作次數(shù)計費(fèi)的收費(fèi)模式。

2 功能架構(gòu)研究

在對國內(nèi)外量子計算云平臺的分析與梳理的基礎(chǔ)上,本文提出了量子計算云平臺的功能架構(gòu),如圖1所示,其中主要功能可劃分為服務(wù)層、平臺層、基礎(chǔ)設(shè)施層,以及配套的運(yùn)營管理與安全服務(wù)功能等。

圖1 量子計算云平臺功能框架圖

2.1 服務(wù)層功能

服務(wù)層主要包括門戶管理、服務(wù)管理以及應(yīng)用開發(fā)等主要功能。服務(wù)層提供用戶(或開發(fā)者訪問)的用戶接口(User Interface,UI)。用戶可以通過UI界面(如瀏覽器或應(yīng)用程序)訪問量子云服務(wù),輸入必要的參數(shù)和數(shù)據(jù),并獲取量子云計算返回的結(jié)果。目前,用戶使用量子計算云平臺的方式可分為兩類：一類是本地編譯、通過應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface,API)訪問云平臺。用戶可在本地開發(fā)量子程序,并將待執(zhí)行的量子程序通過API遠(yuǎn)程提交至量子計算云服務(wù)器上,云服務(wù)器將任務(wù)進(jìn)行調(diào)度并分配至量子計算處理器或量子線路模擬器后端執(zhí)行程序,程序運(yùn)行結(jié)束后通過API返回結(jié)果。另一類是直接在云平臺上進(jìn)行開發(fā)實踐。用戶可直接在云平臺上進(jìn)行量子程序開發(fā),一般可選擇使用量子編程框架編程或圖形化的量子線路編程,直接在云平臺上獲得執(zhí)行結(jié)果。此外,服務(wù)層還提供應(yīng)用開發(fā)的功能。Q-SaaS平臺可提供擁有圖形用戶接口(Graphical User Interface,GUI)的量子應(yīng)用,用戶只需在線導(dǎo)入數(shù)據(jù)或填寫必要的參數(shù),即可運(yùn)行程序并獲得結(jié)果,而無需掌握量子計算編程能力。同時,也可提供算法API以及軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit,SDK)允許用戶根據(jù)自身需求或特殊應(yīng)用場景自行開發(fā)量子應(yīng)用。服務(wù)層通過內(nèi)部應(yīng)用接口與平臺層連接。

2.2 平臺層功能

平臺層主要完成程序開發(fā)和編譯功能。量子計算程序主要通過量子編程語言進(jìn)行開發(fā)。量子計算程序經(jīng)過編譯后轉(zhuǎn)化成量子計算硬件可以識別的機(jī)器語言(比如特定波形的測控信號)輸入到基礎(chǔ)設(shè)施層。

量子編程語言可分為獨(dú)立式和嵌入式兩種。獨(dú)立式編程語言是為量子計算定制開發(fā)的編程語言。量子計算和經(jīng)典計算從計算原理上看有巨大差異,比如量子比特可以處于|0〉和|1〉的疊加態(tài),量子門操作通過幺正變換實現(xiàn)。因此,有必要結(jié)合量子計算的特點開發(fā)適用于量子比特基本操作的編程語言,比如OpenQASM、Q#、Quilt、isQ等。這類語言與經(jīng)典計算中的匯編語言(或指令集)作用相似。嵌入式編程語言是指依賴于其他編程框架的編程語言,比如Qiskit、Cirq、ProjectQ、QPanda等都是基于Python(或C/C++語言)開發(fā)的庫,可基于原始編程語言(Python或C/C++)的基本語法規(guī)則進(jìn)行程序開發(fā),用戶無需學(xué)習(xí)新的語法規(guī)則,并且易于實現(xiàn)復(fù)雜邏輯和量子-經(jīng)典混合編程。

編譯功能主要實現(xiàn)高級編程語言到機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。量子程序的編譯主要包括量子線路的分解、優(yōu)化和映射等功能。分解功能是將量子程序中的復(fù)雜算子分解成量子計算硬件支持的單比特邏輯門和多比特邏輯門。優(yōu)化是將分解后的量子線路進(jìn)行優(yōu)化組合,利用盡可能少的量子邏輯門實現(xiàn)算法功能。NISQ時代量子比特壽命較短,同時噪聲的影響也不可避免。因此,每增加一個邏輯門就需要消耗一部分量子比特壽命,并且引入一定噪聲。優(yōu)化的過程通過對量子比特門進(jìn)行優(yōu)化組合或者引入輔助比特來減小量子線路的深度,保證較高質(zhì)量的運(yùn)算結(jié)果輸出。優(yōu)化后的量子線路最終映射到量子芯片中的量子比特上。對全連通的量子芯片,可以實現(xiàn)任意多比特邏輯門的映射,即任意兩個或多個量子比特之間都能實現(xiàn)相互作用。但并不是所有的量子計算硬件結(jié)構(gòu)都能支持全連通,比如目前比較成熟的超導(dǎo)量子芯片大多采用一維線型或二維陣列排列,每個量子比特只能與鄰近的數(shù)個量子比特連接。因此,分解、優(yōu)化后的量子線路需要盡可能映射到有連接的量子比特上。如果一個雙比特邏輯門作用在無連接的兩個量子比特上,需要加入一系列交換(SWAP)門將量子態(tài)最終交換到存在連接的量子比特上,但每加入一個SWAP門都需要消耗量子比特的壽命。分解、優(yōu)化、映射不是完全獨(dú)立的三個步驟,可能相互交織,比如優(yōu)化后的量子線路在映射的過程中發(fā)生了變化,有可能需要二次優(yōu)化。最終的量子線路將轉(zhuǎn)化為量子計算硬件可執(zhí)行的測控信號(比如特定波形的微波信號)輸入到量子計算硬件上。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)施層功能

基礎(chǔ)設(shè)施層可以進(jìn)一步劃分為外圍設(shè)施層、資源層和資源管理層。資源層進(jìn)一步由物理資源層和虛擬資源層組成。

2.3.1 外圍設(shè)施層

外圍設(shè)施層為量子計算硬件提供電力、環(huán)境保障,主要由供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、隔振系統(tǒng)、磁屏蔽系統(tǒng)、布線等外圍保障系統(tǒng)組成。由于量子計算機(jī)對環(huán)境噪聲十分敏感并且硬件研發(fā)尚不成熟,因此其環(huán)境保障系統(tǒng)要求比經(jīng)典 ICT設(shè)備更為嚴(yán)苛,比如超低溫(接近絕對零度)、真空、電磁屏蔽等。不同硬件路線對環(huán)境保障系統(tǒng)的要求也有較大的差異。

2.3.2 物理資源層

物理資源層主要包括量子計算機(jī)硬件、量子模擬器,以及必要的經(jīng)典服務(wù)器、經(jīng)典存儲設(shè)備、經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)等硬件。量子計算硬件主要包括超導(dǎo)量子線路、離子阱、中性原子、光量子等多條技術(shù)路線,目前超導(dǎo)量子線路仍是主流。超導(dǎo)量子處理器基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)形成擴(kuò)展人造的二能級系統(tǒng),其加工工藝與現(xiàn)有微納加工技術(shù)兼容,在可操作性和擴(kuò)展性方面具有優(yōu)勢。國內(nèi)外十余家量子計算云平臺提供超導(dǎo)量子計算機(jī)的接入服務(wù)。2022年底,IBM Quantum Experience平臺宣布433 bit的Osprey超導(dǎo)量子處理器正式上線,是目前可通過云平臺接入的最大算力門型通用量子計算處理器。除了超導(dǎo)量子處理器,國內(nèi)外也上線了少量離子阱、光量子、中性原子、核磁共振等路線的量子處理器。以上都是基于邏輯門的通用量子計算處理器,除此以外基于專用量子計算處理器的量子計算云平臺也是值得關(guān)注的方向之一。專用量子計算處理器不具備量子邏輯門操控和實現(xiàn)量子糾錯編碼等能力,但可以應(yīng)用于求解組合優(yōu)化和采樣等專用問題,如果與適當(dāng)應(yīng)用場景和數(shù)學(xué)模型結(jié)合,同樣有希望帶來量子計算的算力加速優(yōu)勢。專用量子計算機(jī)主要包括量子退火機(jī)、玻色采樣機(jī)和依辛機(jī)等類型。加拿大初創(chuàng)公司D-WAVE是最早進(jìn)行商用量子退火機(jī)研發(fā)的企業(yè),并于2018年推出了基于量子退火機(jī)的量子計算云平臺Leap。近年來,D-WAVE積極與科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)合作開展科研項目,基于云平臺在工業(yè)制造、運(yùn)輸物流、生命科學(xué)、投資金融等領(lǐng)域開展應(yīng)用探索。2023年,D-WAVE基于量子退火機(jī)在自旋玻璃問題上證明了量子優(yōu)越性,未來基于各自適用的數(shù)學(xué)問題,進(jìn)一步廣泛探索在量子化學(xué)模擬、圖論組合優(yōu)化、非線性問題求解等方面的實用化案例,有望和NISQ時代的通用量子計算機(jī)共同開展“殺手級”量子計算應(yīng)用案例探索的競爭。北京波色量子科技有限公司致力于光學(xué)相干依辛機(jī)(Coherent Ising Machine)的研發(fā),2023年5月發(fā)布自研的100 量子比特相干光量子計算機(jī),并與中國移動簽約共同構(gòu)建“五岳”量子云平臺,但是國內(nèi)對基于專用量子計算機(jī)云平臺的關(guān)注度仍較低。總體來看,當(dāng)前量子計算硬件研發(fā)的主要難點是如何實現(xiàn)量子比特數(shù)中等規(guī)模以上、量子比特之間連通性良好、退相干時間長,并滿足一定測控精度要求的量子芯片。

由于量子硬件資源稀缺,量子比特數(shù)目、質(zhì)量尚不能滿足大規(guī)模實用要求,量子模擬器一定程度上可以輔助開展量子算法開發(fā)和應(yīng)用探索。隨著量子比特數(shù)的增加,量子線路的計算規(guī)模呈指數(shù)增加,經(jīng)典計算機(jī)很難提高模擬量子比特數(shù)的規(guī)模。

同時,為了構(gòu)建量子計算云平臺需要經(jīng)典硬件資源和相關(guān)支撐技術(shù)(主要包括容器管理、微服務(wù)引擎、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、分布式緩存服務(wù)、WAF防火墻等技術(shù)),在這些云原生服務(wù)基礎(chǔ)上構(gòu)建高可靠、高并發(fā)、有韌性、安全可靠的量子計算云服務(wù)。

2.3.3 虛擬資源層

虛擬資源層主要由量子計算機(jī)虛擬機(jī)、經(jīng)典虛擬機(jī)、經(jīng)典虛擬存儲、經(jīng)典虛擬網(wǎng)絡(luò)等功能模塊組成。經(jīng)典ICT資源的虛擬化可以直接借鑒經(jīng)典云計算方法,利用虛擬資源管理技術(shù),用網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)典ICT資源(包括計算、存儲資源以及應(yīng)用運(yùn)行平臺、軟件等)集中起來形成共享的資源池,并以動態(tài)按需和可度量的方式向用戶提供服務(wù)。

量子計算機(jī)硬件由于尚不成熟,目前尚未開展虛擬化相關(guān)的研究。理論上量子計算資源可以通過分布式計算和虛擬化等技術(shù)形成資源池,提升硬件資源的利用率和調(diào)度的靈活性。同時,分布式計算架構(gòu)或?qū)⒔鉀Q單機(jī)算力不足的問題。目前,量子計算云平臺能夠基于云接入的形式調(diào)用量子計算芯片硬件。受限于當(dāng)前的技術(shù)水平,量子計算芯片支持的物理量子比特數(shù)目較少,并且很難在保持良好保真度的同時擴(kuò)大規(guī)模。因為在系統(tǒng)規(guī)模增大后,量子比特之間以及量子比特與環(huán)境之間的耦合噪聲也隨之增大。但是目前有很多中小規(guī)模的量子計算硬件分布在不同的實驗室中,如果能構(gòu)建一張分布式量子計算(Distributed Quantum Computing,DQC)網(wǎng)絡(luò)[15]將現(xiàn)有的量子計算硬件資源連接起來并形成虛擬化資源池,可以大幅提升當(dāng)前的量子計算算力。包含N個量子比特的量子計算芯片能夠表示2N×2N維的希爾伯特空間。因此,將多臺量子計算機(jī)連接起來獲得的算力不是單臺量子計算機(jī)算力的加和,而是乘積關(guān)系。在DQC系統(tǒng),將一個完整的量子線路拆分成多個小的子線路,這些子線路調(diào)度分配到虛擬化資源池中的不同量子硬件上,通過收集分布式節(jié)點的測量結(jié)果,可以在經(jīng)典計算機(jī)上計算獲得整個系統(tǒng)可觀測值的期望值。DQC系統(tǒng)可以通過經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,也可以通過基于量子糾纏的量子信息網(wǎng)絡(luò)(Quantum Information Network,QIN)進(jìn)行連接。受限于QIN本身仍處于開放探索的階段,尚不能確定基于QIN的DQC系統(tǒng)具有何種架構(gòu)和功能。

2.3.4 資源管理層

資源管理層主要由物理機(jī)管理、虛擬機(jī)管理、存儲管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及資源和任務(wù)調(diào)度等功能模塊組成。在NISQ時代,量子計算任務(wù)需要與傳統(tǒng)計算資源等配合使用,完成量子-經(jīng)典混合計算任務(wù)。這就要求將用戶提交的計算任務(wù)分解為量子計算和經(jīng)典計算兩部分,由任務(wù)調(diào)度模塊將量子部分分配到量子計算機(jī)上執(zhí)行,經(jīng)典部分在傳統(tǒng)計算資源上運(yùn)行,并最終返回兩者合并后的結(jié)果。異構(gòu)算力混合計算將是未來量子計算云平臺的應(yīng)用模式之一。異構(gòu)算力混合計算不僅包括門型通用量子計算機(jī)與量子計算專用機(jī)之間的混合,也包括量子計算與各類經(jīng)典計算架構(gòu)的混合,包括單指令流單數(shù)據(jù)流機(jī)器(Single Instruction Single Data,SISD)、單指令流多數(shù)據(jù)流機(jī)器(Single Instruction Multiple Data,SIMD)、多指令流單數(shù)據(jù)流機(jī)器(Multiple Instruction Single Data,MISD)、多指令流多數(shù)據(jù)流機(jī)器 (Multiple Instruction Multiple Data,MIMD)等多種計算架構(gòu)。量子-經(jīng)典混合計算還可以進(jìn)一步分為量子-經(jīng)典協(xié)同計算和量子-經(jīng)典融合計算。量子-經(jīng)典協(xié)同計算中,量子部分和經(jīng)典部分界定清晰,二者互為簡單的輸入/輸出關(guān)系;而量子-經(jīng)典融合計算中,二者在計算過程中不僅相互訪問彼此數(shù)據(jù),還形成相互控制的關(guān)系。不同的計算架構(gòu)如何互相調(diào)用、互相協(xié)作是未來重點研究的方向之一。

2.4 運(yùn)營管理與安全功能

運(yùn)營管理主要由用戶管理、計費(fèi)管理、報表管理、監(jiān)測管理等功能模塊組成,實現(xiàn)用戶服務(wù)和運(yùn)行維護(hù)兩個層面的管理功能。用戶服務(wù)管理層面主要實現(xiàn)用戶的注冊、注銷、鑒權(quán)、分級權(quán)限管理以及服務(wù)計費(fèi)相關(guān)的功能;運(yùn)行維護(hù)管理層面主要實現(xiàn)日志管理、報表統(tǒng)計、監(jiān)控告警等功能。

安全主要實現(xiàn)接入安全、軟件安全、虛擬化安全、硬件安全和數(shù)據(jù)安全等功能。其中,用戶認(rèn)證、授權(quán)管理、安全審計、經(jīng)典服務(wù)器防護(hù)與加固、網(wǎng)絡(luò)安全等功能可以直接借鑒經(jīng)典云計算平臺對應(yīng)功能。同時,利用量子信息技術(shù)還可以實現(xiàn)經(jīng)典云平臺無法實現(xiàn)的安全防護(hù)功能,比如基于量子信息技術(shù)的隱私保護(hù)功能。隱私信息的安全防護(hù)在量子計算中同等重要。與經(jīng)典云計算服務(wù)類似,量子計算云平臺用戶將任務(wù)提交給云端的量子計算硬件代理執(zhí)行,云平臺再將運(yùn)行后的結(jié)果返回用戶。通常情況下,云平臺需要獲取完整的計算任務(wù)描述和計算數(shù)據(jù)才能完成代理計算,但在這一過程中用戶的隱私和信息的安全存在巨大的隱患。無論是經(jīng)典云計算服務(wù)還是量子計算云服務(wù),信息安全都是未來發(fā)展關(guān)注的重點。在基于測量的量子計算(Measurement-Based Quantum Computation,MBQC)模型[16-20]的基礎(chǔ)上,Broadbent等提出了盲量子計算(Blind Quantum Computation,BQC)協(xié)議[21]有望解決用戶隱私保護(hù)的問題。MBQC模型不同于常見的量子線路計算模型,沒有經(jīng)典計算模型與之對應(yīng),其核心設(shè)計思想是對一個量子糾纏態(tài)的部分比特進(jìn)行測量,未被測量的量子系統(tǒng)將會實現(xiàn)相應(yīng)的演化,并且通過對測量方式的控制,實現(xiàn)任意需要的演化。MBQC主要基于磚塊圖(Brickwork Graph)進(jìn)行運(yùn)算。BQC是在MBQC的基礎(chǔ)上發(fā)展出一套基于云接入的量子計算交互協(xié)議(見圖2)。協(xié)議交互的雙方分別是用戶和云平臺,主要分為兩個步驟。步驟一,用戶將需要執(zhí)行的量子線路轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的磚塊圖測量模式,并獲取磚塊圖的寬度n和深度m。用戶使用旋轉(zhuǎn)角度加密的方式為磚塊圖的每個節(jié)點制備量子態(tài)后,分別通過經(jīng)典信道和量子信道將磚塊圖尺寸和量子態(tài)發(fā)送到云端。云端在接收信息之后,根據(jù)磚塊圖的尺寸和結(jié)構(gòu)將接收到的量子態(tài)進(jìn)行糾纏,制備磚塊圖態(tài)。步驟二,用戶和云端將往復(fù)完成多輪協(xié)議交互,完成加密、測量和解密,直至完成對所有量子比特的測量。通過對量子效應(yīng)的巧妙應(yīng)用,BQC能夠有效保護(hù)用戶隱私,有望解決量子云計算中的信息安全問題。隨著量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸成熟,BQC有望成為量子信息處理的主要模式之一,在未來量子信息網(wǎng)絡(luò)中具有巨大的應(yīng)用價值。

潛變量是不可直接觀測的變量，本次潛變量的選定從理論出發(fā)，通過對云閃付產(chǎn)品可接受度的研究、回顧與綜述，并根據(jù)云閃付產(chǎn)品自身的特點，選出影響云閃付用戶粘性的6個因素（潛變量）：實用性，便捷性，安全性，期望確認(rèn)度，產(chǎn)品形象，粘性。其中前三者是前提變量，后三者是結(jié)果變量，前提變量綜合決定并影響著結(jié)果變量。

圖2 盲量子計算協(xié)議流程圖

3 面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展建議

當(dāng)前,國內(nèi)外量子計算云平臺發(fā)展還處于探索階段,無論是量子計算硬件水平還是服務(wù)模式均不成熟。

近年來,量子計算硬件研究加速發(fā)展,多條技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢。如何從規(guī)模、質(zhì)量、速度三個維度提升物理量子比特的性能仍然是當(dāng)前量子計算領(lǐng)域亟待突破的核心任務(wù)。目前,能夠?qū)崿F(xiàn)云接入的最先進(jìn)的量子門型通用量子計算芯片也只包含數(shù)百個量子比特,并且噪聲影響較大,連通性受限,可糾錯的邏輯比特尚未實現(xiàn),距離實用化、商用化仍較遠(yuǎn)。未來,需加強(qiáng)科研攻關(guān),加快提升量子計算硬件的工程化水平。量子計算硬件是量子計算云平臺的“心臟”,其性能關(guān)乎云平臺能夠解決問題的能力。量子比特數(shù)量決定量子算法解決問題的規(guī)模大小;量子比特壽命和連通性決定量子線路的復(fù)雜程度;邏輯門的保真度決定量子計算硬件執(zhí)行任務(wù)的可靠性和可信度。目前,應(yīng)加強(qiáng)量子計算硬件核心技術(shù),盡快提升量子比特的數(shù)量、壽命、連通性以及量子邏輯門的保真度,并且實現(xiàn)大規(guī)模的邏輯量子比特,為實用化算法探索奠定硬件基礎(chǔ)。

國內(nèi)外近年來發(fā)布了數(shù)十個量子計算云平臺,但是其中不少云平臺只能實現(xiàn)一些科普級的功能。不可否認(rèn),這類云平臺在向公眾普及量子力學(xué)基本知識、量子計算編程語言、量子算法基本原理等方面具有重要的價值,但是與解決實際問題、賦能千行百業(yè)的終極目標(biāo)仍有較大距離,需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同持續(xù)探索。量子計算云平臺應(yīng)用探索需要科研工作者、云平臺提供商、行業(yè)用戶深入交流合作,碰撞靈感火花,共同研討行業(yè)痛點和解決方案。建議通過組織案例征集、編程大賽等活動,充分利用現(xiàn)有量子計算原型機(jī)和云平臺服務(wù)等良好基礎(chǔ),激發(fā)科研人員學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新動力,促進(jìn)量子計算編程框架應(yīng)用推廣、云平臺用戶生態(tài)建設(shè)、上下游參與,形成應(yīng)用創(chuàng)新合力,加快算法研究與應(yīng)用場景探索,助力我國量子計算產(chǎn)業(yè)落地。

4 結(jié)束語

量子計算云平臺已成為量子計算科普教育、算法開發(fā)和應(yīng)用探索的主要陣地。依托國內(nèi)外平臺已發(fā)表大量學(xué)術(shù)論文,內(nèi)容涵蓋算法設(shè)計、程序編譯、測評基準(zhǔn)、行業(yè)應(yīng)用等諸多方向。未來,隨著量子計算軟硬件的成熟與云平臺功能的健全,量子計算云平臺會催生出更多的應(yīng)用與服務(wù)模式,與經(jīng)典云計算平臺相輔相成,帶動量子算力與各行業(yè)深度融合,賦能千行百業(yè),助力國家數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。