普通⼈如何接触到真实的量⼦计算机？答案是“量⼦云”；咱中国⼈如何接触到真实的量⼦计算机？答案是“咱⾃⼰的量⼦云”。最近，“量⼦云”成为了⼀个科技热词。
2023年5⽉，IBM将此前发布的433量⼦⽐特“Osprey（⻥鹰）”处理器推上量⼦云平台；在5⽉底北京举办的中关村论坛上，北京量⼦信息科学院正式发布“Quafu”量⼦计算云平台，该平台由北京量⼦院、中国科学院物理研究所和清华⼤学联合研发，其中最⼤规模的⼀台量⼦计算系统，能提供136个相互连通的、可独⽴操控与测量的量⼦⽐特。
或许很多⼈不清楚“量⼦云”为何物，或者很容易联想到云计算，⼆者实际上是两种完全不同的事物。今天我们就来聊⼀下这种备受关注的量⼦算⼒共享模式——量⼦云。⼀台超导量⼦计算系统量⼦云是什么？⾸先还是先快速介绍⼀下量⼦计算与经典计算的区别。我们现在⽤到的计算⽅式，包括电脑、⼿机、计算器等，都是基于⼆进制逻辑的，最底层的信息存储和处理单元叫作⽐特。
⼀个⽐特可以处于0或1两种状态之⼀，通过电路⼤量的⽐特连接在⼀起，并在上⾯执⾏⼀系列的逻辑操作，最终去获取存储着计算结果的那⼀组⽐特的状态，这样便能进⾏各种各样的运算。这种计算⽅式我们称之为经典计算。
在这⾥我们看到了计算的四要素：⼀是信息的存算单元——⽐特；⼆是作⽤在⽐特上的⼀组通⽤逻辑⻔操作；三是算法，即逻辑⻔是如何组织并映射到⽐特上的；最后⼀个要素就是读取。量⼦计算同样需要具备这些要素，⽽在利⽤了量⼦⼒学的叠加和纠缠等基本原理之后，它能表现出很多经典计算所不具备的能⼒。
量⼦计算的基本信息处理单元是量⼦⽐特，它是⼀个最简单的量⼦系统——两能级系统。作为类⽐，我们可以分别将这两个能级标记为0和1。由于量⼦态的叠加性，这样⼀个系统可以处在0和1的叠加态，也就是说，这个量⼦⽐特可以部分是0，部分是1。这种叠加特性赋予了量⼦⽐特同时表达多种状态的能⼒，因此其有更强的信息编码能⼒。当多个量⼦⽐特连接在⼀起，我们可以将其纠缠在⼀起，这也是经典⽐特所不具备的能⼒。
对于量⼦⽐特的纠缠很难详细解释，但我们可以这样理解：纠缠的⽐特中，信息的表达必须当成⼀个整体来看，⽽且其维度随着⽐特数量的增⻓⽽指数增⻓，这就为计算提供了⼀个指数增⻓的编码空间，理论上能够实现指数级的计算加速能⼒。
如果我们能找到这样⼀对能级（即纠缠的量⼦⽐特）并且能够不断地扩展，在这些量⼦⽐特上执⾏精确的量⼦⻔操作，然后能够准确地测量它们的量⼦态，最后能设计出好的量⼦算法，我们就有可能完成⼀些不可思议的⾼效计算。
现实中，能够构建出量⼦⽐特的物理系统有很多种，可以是基于光⼦、电⼦、原⼦、分⼦、原⼦核、晶格缺陷等；熟悉⼀点量⼦计算的读者可能听说过超导量⼦计算、离⼦阱量⼦计算、半导体量⼦计算、光量⼦计算等，这些本质上就是基于不同物理体系⽽发展出的不同技术路线，进展状况也各不相同。⽬前，超导和离⼦阱被认为是最有前景的两种技术⽅案。IBM的“⻥鹰”处理器和Quafu量⼦计算云平台，都是基于超导⽅案的。
当然，不管是超导还是离⼦阱⽅案，由其开发的（量⼦）硬件仍处于应⽤示范阶段。产业的快速发展需要研发与实际应⽤两端协同。⼀⽅⾯，急需应⽤端提出合理的实际需求，这样能够让研发者更加精准地规划未来的研究⽅向和技术路线；应⽤端也急需在真实的量⼦硬件上测试并优化⾃⼰的算法，以尽快产⽣实际的效益。
⽽另⼀⽅⾯，量⼦计算的技术⻔槛和资⾦投⼊都⾮常⾼，⾼品质的量⼦计算资源⾮常稀缺，⽆论是⾼校研究所从事量⼦算法理论研究的，还是企业从事量⼦技术需求探索的，都很难获取这些量⼦计算资源。因此，从业者需要⼀种开放共享机制来将研发端与应⽤端紧密连接起来。⽬前⼤家认为最好的⽅式，就是量⼦云平台。
量⼦云平台如何构建？如果有⼀台经过精细校准的量⼦芯⽚测控系统，它对互联⽹开放了⼀套API，也就是应⽤程序接⼝，我们就可以通过互联⽹访问到这台量⼦测控系统，向它发送量⼦线路并获取返回的测量数据。如果能进⼀步提供⼀套相对完整的⼯具集和调度系统，帮助⽤户进⾏量⼦线路的编译优化，以及⽐特映射等，并保证⼤量⽤户可以同时访问，我们就构建出了⼀个量⼦云平台。
这⾥有必要了解⼀下什么是“量⼦测控系统”，以及“量⼦线路”。前⽂我们已经⼤致梳理了计算的⼏个要素：信息存储和处理单元（⽐特）、完备的通⽤逻辑⻔集、算法和读取。⽽量⼦测控系统就是要解决通⽤量⼦⻔的物理实现，以及量⼦态读取这两个环节，前者对应“控”，后者对应“测”。以单⽐特旋转⻔为例，假如我们希望让某个量⼦⽐特QA上的态绕X-轴旋转180度，实际的操作是，向QA上施加⼀个⾯积精准的共振微波脉冲。
这样的脉冲信号⼀般是通过⼀台室温的任意波发⽣器来编辑并⽣成的，⽽量⼦⽐特处在极低温，我们该怎样将这个信号精准地送到指定的⽐特附近呢？这就需要有⼀根电缆将脉冲源与QA的控制线连接起来。这听起来简单，实现起来却⾮常不容易，科学家和⼯程师不仅需要保证有⾜够的信号传递下去，还要保证室温的热量尽可能少得传下去，确保热噪声和其他噪声源不会顺着电缆偷偷溜到量⼦⽐特附近搞破坏。
为此，⼀⽅⾯需要采⽤特殊的低温同轴电缆，另⼀⽅⾯则需要逐级插⼊各种衰减器、滤波器等器件，整个链路⾮常精巧。在读取⽅⾯，我们需要将极其微弱的量⼦信号进⾏逐级放⼤，并交给室温的采集卡来进⾏采集和处理。所有这些⽤于实现精准的量⼦⻔操控、精确的量⼦态读取相关的电⼦学、电缆、各种微波器件、样品盒等等组成的整体，就是复杂⽽精巧的“量⼦测控系统”的物理部分了。
此外，测控的软件部分同样⾮常重要，它负责对测控设备进⾏⾼效管理、调控波形、数据处理和可视化，以及相关的⼯具链等等。量⼦测控系统示意图⼁图⽚来源：IBM Quantum⽽量⼦线路，则是根据特定⽬的将上述的量⼦⻔和读取组织起来形成的逻辑序列。前⾯提到的Shor算法，本质上就是⼀种量⼦线路。不过它还⽐较抽象，⼀般需要做⼀些转换才能在实际的量⼦计算机上运⾏，这就要⽤到量⼦云的编译优化⼯具了。
在⼀个开放的量⼦云上，⽤户可以提交各种各样的量⼦线路，只要符合基本规则。这种开放性质使得量⼦云要应对的情况，某种程度上⽐在实验室内进⾏量⼦实验还要复杂。可以想象如下场景：⽤户直接通过⽹⻚、APP访问真实的量⼦计算资源，⾼级⽤户甚⾄可以集成到⾃⼰的应⽤程序中去，构建⾃⼰的量⼦应⽤。
所有这些⼯作，都可以坐在办公室⾥完成，⽆需亲临布满线路的量⼦计算实验室，更⽆需亲⾃搭建仪器、调试线路——这就是实际可以使⽤的量⼦云平台。可以看到，量⼦云极⼤的降低了⽤户使⽤量⼦计算资源的⻔槛，可以让更多⼈在真实的量⼦计算机上快速验证和改进⾃⼰的想法。让更多的聪明⼤脑参与进来，是推动量⼦计算⾛向实⽤的终南捷径。
量⼦云竞争激烈，⾃主研发是关键最早以量⼦云的形式推⼴量⼦计算的是IBM，2016年他们推出了第⼀台5量⼦⽐特的量⼦云。时⾄今⽇，IBM已经推出了多达25台量⼦云计算平台，⽬前可以公开访问的系统最多包含了433个量⼦⽐特。我国从2017年开始陆续有团队探索这⼀模式，最早的是中国科学院量⼦信息与量⼦科技创新研究院推出的12⽐特量⼦计算云平台。
⽬前已经多个研究机构和企业对外提供量⼦云服务，这次在中关村论坛上发布的Quafu量⼦云平台，是我国⾸次推出百⽐特以上规模的量⼦云，其意义实际上是⾮常⼤的。百量⼦⽐特规模的量⼦计算，从芯⽚设计、极低温线路布置、测控电⼦学集成，到测控软件系统构架等，复杂性都较之前⼤⼤增加了。再结合更为上层的编译、优化和云前端等软件系统设计与测试，可谓是⼀项系统性的量⼦⼯程挑战。
美国⽬前拥有最先进的量⼦云技术，以此为依托的量⼦应⽤⽣态布局也更为深⼊，需要注意的是，国外的量⼦云已经对中国进⾏了很⼤的限制，最好的、最先进的量⼦资源我们早已经⽆法访问（国内只能访问IBM推出较早、⽐特数较少的量⼦云系统）。因此，国内⾃主研发⾼质量的量⼦云平台，对我国量⼦计算技术发展和产业⽣态建设⾄关重要。
最后，我们还应该认识到在量⼦云布局上国内与IBM有差距，⽽围绕量⼦云的量⼦计算应⽤⽣态建设更是刚刚起步，还有很⻓的路要⾛。⼀路上，需要更多来⾃不同领域的科学家、⼯程师和企业家携起⼿来⼀起前进。希望我国的量⼦计算技术能稳扎稳打，科研与产业并进，在这⼀颠覆性的新赛道上，⾛向世界之巅！