譯者 | 晶顏

審校 | 重樓

量子云計算融合了量子力學和云技術來解決經(jīng)典系統(tǒng)無法處理的復雜問題。

量子云計算，作為量子技術與云技術深度融合的產(chǎn)物，是一種創(chuàng)新的計算能力模型。它具備潛在解決復雜問題的能力，這些問題遠遠超越了傳統(tǒng)計算機的處理范疇。

量子云計算借助量子干涉、量子糾纏和量子疊加等量子力學過程，賦予云計算前所未有的強大能力。這使得企業(yè)和研究人員即便在缺乏內(nèi)部量子基礎設施的情況下，也能夠執(zhí)行量子算法。

量子計算原理

量子計算，本質(zhì)上是對量子力學過程的利用。與傳統(tǒng)計算使用雙值（0和1）的比特不同，量子計算采用量子位。量子位能夠利用0和1混合的量子狀態(tài)，這一特性極大地拓展了計算的狀態(tài)空間。

量子疊加使得量子位可以同時處于多種狀態(tài)，而量子糾纏能夠維持量子比特之間的相關狀態(tài)，且不受距離限制，不僅能在即時水平確定狀態(tài)，還為并行計算提供了可能。量子干涉則用于提升計算精度，通過增強構(gòu)造概率和破壞概率抵消來實現(xiàn)。

量子計算中的主要數(shù)學概念

• 狀態(tài)向量（State vectors）——用于表示希爾伯特空間中的量子態(tài)。
• 幺正算符（Unitary operators）——表示具有可逆和范數(shù)守恒性質(zhì)的量子門。
• 張量積（Tensor products）——表示具有許多量子位的復合量子系統(tǒng)。
• 測量算子（Measurement operators）——將量子態(tài)坍縮為經(jīng)典態(tài)。

一些常見的量子門

• Pauli-X, Y, Z——類似于傳統(tǒng)計算機中的NOT操作和軸旋轉(zhuǎn)。
• Hadamard (H) ——用于引入疊加狀態(tài)。
• CNOT（Controlled-NOT）——允許創(chuàng)建量子糾纏。
• Toffoli和Fredkin Gates——實現(xiàn)多量子位操作。

量子云計算：集成

量子云計算涉及訪問云數(shù)據(jù)中心的量子處理器。用于描述此類平臺中電路的Qiskit、Cirq和q#軟件框架已經(jīng)變得非常流行。用戶可以通過云API實現(xiàn)和運行量子算法，進而訪問量子硬件（例如，捕獲離子，超導量子比特）或模擬器。

主要架構(gòu)特征如下所示：

• 量子處理單元（QPU）——作為在量子位上執(zhí)行量子操作的硬件模塊，通常由超導電路或捕獲離子制成，需在低溫環(huán)境下運行，以確保量子信息守恒，抑制退相干和噪聲。
• 經(jīng)典控制器——作為量子處理器與傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)的接口，負責量子比特的初始化、門操作以及測量操作。
• 糾錯系統(tǒng)——通過實現(xiàn)肖爾代碼（Shor’s Code）和表面代碼（Surface Code）等量子代碼，保障計算完整性和量子信息守恒，抑制退相干和噪聲。
• 混合計算接口——強化量子與傳統(tǒng)處理模塊的高效集成，優(yōu)化預處理、量子算法處理和后處理輸出值的工作流程。
• 量子模擬器和模擬器——支持在軟件環(huán)境中調(diào)試和模擬量子算法，借助云訪問高效利用量子處理器，并在模擬運行時最大程度減少量子信息損失。

主流量子云解決方案

IBM Quantum Experience

IBM依托Qiskit平臺，提供全面的量子計算機服務。其量子處理器涵蓋從小型量子模擬器到高性能處理器，如127量子位的Eagle以及未來將推出的超過1000量子位的Condor。IBM聚焦于容錯量子處理器、混合工作流和高可擴展性，其顯著功能包括量子糾錯研究、量子經(jīng)典算法以及用于實驗和測試的云模擬器。

Google Quantum AI

谷歌憑借其Sycamore芯片實現(xiàn)了量子霸權(quán)，計算能力超越傳統(tǒng)水平。谷歌的研究涉及量子處理的尺度方法和糾錯方法。Cirq使程序員能夠在人工智能、量子化學和優(yōu)化領域開發(fā)和執(zhí)行量子算法。谷歌還與大學合作，推動量子應用取得突破。

Microsoft Azure Quantum

Azure Quantum為拓撲和超導量子比特提供了一個多技術、靈活的平臺。通過微軟的q#語言和量子開發(fā)工具包支持高級算法開發(fā)。Azure還集成了用于預處理和后處理的經(jīng)典計算，可以與優(yōu)化的工作負載協(xié)同工作，并傾向于采用容錯硬件以實現(xiàn)大規(guī)模應用。

Amazon Braket

亞馬遜提供了一系列靈活的量子計算機平臺架構(gòu)，包括D-Wave（退火器）、Rigetti（基于柵極模型的平臺）和IonQ（基于捕獲離子的平臺）。Braket支持Python sdk、混合工作流以及與AWS的本地集成。亞馬遜期望通過模擬、基準測試和算法開發(fā)工具，實現(xiàn)量子計算在商業(yè)和實驗領域的應用。

Rigetti Computing

Rigetti作為開發(fā)超導量子比特的先驅(qū)，擁有模塊化量子處理器，并在混合計算方面憑借其森林SDK（Forest SDK）及其語言Quil積累了專業(yè)技術。其關注量子化學、金融和人工智能等現(xiàn)實生活中的應用場景，致力于多量子位糾纏技術的研究，并將量子位相干性擴展到更大規(guī)模、可擴展的實現(xiàn)中。

D-Wave Systems

Wave是量子退火（quantum annealing ）領域的專家，針對組合問題進行了優(yōu)化。D-Wave的Advantage?平臺擁有超過5000個量子比特，可通過其Leap?量子云服務訪問。D-Wave的用例包括物流、調(diào)度和機器學習，主要面向現(xiàn)實優(yōu)化和算法部署。

IonQ

IonQ運用捕獲離子技術，打造出具有高保真度、長壽命以及高相干時間特性的量子比特。用戶可通過亞馬遜的智能平臺以及微軟的Azure量子平臺對IonQ平臺進行訪問。該平臺聚焦于糾錯計算與具備可擴展性的架構(gòu)，目前正積極投身于開發(fā)擁有數(shù)千量子位規(guī)模的硬件，以滿足商業(yè)應用需求。

Pasqal

Pasqal借助中性原子構(gòu)建起高連接性的量子位陣列，用于量子模擬和優(yōu)化計算。Pasqal云產(chǎn)品將材料科學以及能源優(yōu)化領域作為目標應用場景，著重關注性能提升與可擴展性。

Xanadu

Xanadu致力于構(gòu)建光子量子處理器，利用基于光的量子比特實現(xiàn)室溫下的計算操作。Xanadu的PennyLane平臺為量子機器學習和量子經(jīng)典計算提供支持，目標是在人工智能領域?qū)崿F(xiàn)突破，并應用于量子化學領域。

Honeywell Quantum Solutions

霍尼韋爾（Honeywell）采用捕獲離子量子比特技術，為商用量子系統(tǒng)賦予高保真度和較長的相干時間。霍尼韋爾云產(chǎn)品能夠與傳統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)集成，在性能方面主要側(cè)重于物流、材料以及制藥等領域。

未來趨勢

云量子計算的未來發(fā)展將在很大程度上依賴于量子算法、量子糾錯碼以及容錯量子計算等方面的突破。隨著量子處理器從嘈雜的中等規(guī)模量子（NISQ）階段向具備糾錯功能的架構(gòu)轉(zhuǎn)變，量子經(jīng)典混合架構(gòu)有望在人工智能、優(yōu)化問題解決以及安全通信協(xié)議等領域取得突破性進展。諸如拓撲量子比特和光子量子處理器等未來新興技術，有望打造出噪音更低、性能更優(yōu)的可擴展架構(gòu)。

結(jié)語

量子云計算代表著計算科學的未來發(fā)展方向，其通過運用量子力學過程來攻克傳統(tǒng)方法難以解決的問題。隨著量子算法、量子硬件以及量子經(jīng)典混合架構(gòu)不斷取得突破，量子云計算有望徹底變革眾多行業(yè)，從密碼學領域起始，逐步拓展至材料科學等多個領域。

盡管當前存在一定限制，但加速開發(fā)與研究為量子云計算重新定義技術的未來鋪平了道路。

原文標題：Quantum Cloud Computing: The Future of Cloud Computing Technology，作者：Srinivas Chippagiri