譯者 | 晶顏

審校 | 重樓

量子云計(jì)算融合了量子力學(xué)和云技術(shù)來解決經(jīng)典系統(tǒng)無法處理的復(fù)雜問題。

量子云計(jì)算，作為量子技術(shù)與云技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是一種創(chuàng)新的計(jì)算能力模型。它具備潛在解決復(fù)雜問題的能力，這些問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理范疇。

量子云計(jì)算借助量子干涉、量子糾纏和量子疊加等量子力學(xué)過程，賦予云計(jì)算前所未有的強(qiáng)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(chǔ)設(shè)施的情況下，也能夠執(zhí)行量子算法。

量子計(jì)算原理

量子計(jì)算，本質(zhì)上是對(duì)量子力學(xué)過程的利用。與傳統(tǒng)計(jì)算使用雙值（0和1）的比特不同，量子計(jì)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(jì)算的狀態(tài)空間。

量子疊加使得量子位可以同時(shí)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(guān)狀態(tài)，且不受距離限制，不僅能在即時(shí)水平確定狀態(tài)，還為并行計(jì)算提供了可能。量子干涉則用于提升計(jì)算精度，通過增強(qiáng)構(gòu)造概率和破壞概率抵消來實(shí)現(xiàn)。

量子計(jì)算中的主要數(shù)學(xué)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(fù)合量子系統(tǒng)。
• 測(cè)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)多量子位操作。

量子云計(jì)算：集成

量子云計(jì)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(tái)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(shí)現(xiàn)和運(yùn)行量子算法，進(jìn)而訪問量子硬件（例如，捕獲離子，超導(dǎo)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(dǎo)電路或捕獲離子制成，需在低溫環(huán)境下運(yùn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口，負(fù)責(zé)量子比特的初始化、門操作以及測(cè)量操作。
• 糾錯(cuò)系統(tǒng)——通過實(shí)現(xiàn)肖爾代碼（Shor’s Code）和表面代碼（Surface Code）等量子代碼，保障計(jì)算完整性和量子信息守恒，抑制退相干和噪聲。
• 混合計(jì)算接口——強(qiáng)化量子與傳統(tǒng)處理模塊的高效集成，優(yōu)化預(yù)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(yùn)行時(shí)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(tái)，提供全面的量子計(jì)算機(jī)服務(wù)。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(cuò)量子處理器、混合工作流和高可擴(kuò)展性，其顯著功能包括量子糾錯(cuò)研究、量子經(jīng)典算法以及用于實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的云模擬器。

Google Quantum AI

谷歌憑借其Sycamore芯片實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，計(jì)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(cuò)方法。Cirq使程序員能夠在人工智能、量子化學(xué)和優(yōu)化領(lǐng)域開發(fā)和執(zhí)行量子算法。谷歌還與大學(xué)合作，推動(dòng)量子應(yīng)用取得突破。

Microsoft Azure Quantum

Azure Quantum為拓?fù)浜统瑢?dǎo)量子比特提供了一個(gè)多技術(shù)、靈活的平臺(tái)。通過微軟的q#語言和量子開發(fā)工具包支持高級(jí)算法開發(fā)。Azure還集成了用于預(yù)處理和后處理的經(jīng)典計(jì)算，可以與優(yōu)化的工作負(fù)載協(xié)同工作，并傾向于采用容錯(cuò)硬件以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

Amazon Braket

亞馬遜提供了一系列靈活的量子計(jì)算機(jī)平臺(tái)架構(gòu)，包括D-Wave（退火器）、Rigetti（基于柵極模型的平臺(tái)）和IonQ（基于捕獲離子的平臺(tái)）。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(zhǔn)測(cè)試和算法開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算在商業(yè)和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

Rigetti Computing

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

D-Wave Systems

Wave是量子退火（quantum annealing ）領(lǐng)域的專家，針對(duì)組合問題進(jìn)行了優(yōu)化。D-Wave的Advantage?平臺(tái)擁有超過5000個(gè)量子比特，可通過其Leap?量子云服務(wù)訪問。D-Wave的用例包括物流、調(diào)度和機(jī)器學(xué)習(xí)，主要面向現(xiàn)實(shí)優(yōu)化和算法部署。

IonQ

IonQ運(yùn)用捕獲離子技術(shù)，打造出具有高保真度、長(zhǎng)壽命以及高相干時(shí)間特性的量子比特。用戶可通過亞馬遜的智能平臺(tái)以及微軟的Azure量子平臺(tái)對(duì)IonQ平臺(tái)進(jìn)行訪問。該平臺(tái)聚焦于糾錯(cuò)計(jì)算與具備可擴(kuò)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(yīng)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(jì)算。Pasqal云產(chǎn)品將材料科學(xué)以及能源優(yōu)化領(lǐng)域作為目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景，著重關(guān)注性能提升與可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)室溫下的計(jì)算操作。Xanadu的PennyLane平臺(tái)為量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子經(jīng)典計(jì)算提供支持，目標(biāo)是在人工智能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，并應(yīng)用于量子化學(xué)領(lǐng)域。

Honeywell Quantum Solutions

霍尼韋爾（Honeywell）采用捕獲離子量子比特技術(shù)，為商用量子系統(tǒng)賦予高保真度和較長(zhǎng)的相干時(shí)間?；裟犴f爾云產(chǎn)品能夠與傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)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(lǐng)域。

未來趨勢(shì)

云量子計(jì)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(cuò)碼以及容錯(cuò)量子計(jì)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(cuò)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(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。諸如拓?fù)淞孔颖忍睾凸庾恿孔犹幚砥鞯任磥硇屡d技術(shù)，有望打造出噪音更低、性能更優(yōu)的可擴(kuò)展架構(gòu)。

結(jié)語

量子云計(jì)算代表著計(jì)算科學(xué)的未來發(fā)展方向，其通過運(yùn)用量子力學(xué)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(jì)算有望徹底變革眾多行業(yè)，從密碼學(xué)領(lǐng)域起始，逐步拓展至材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

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

原文標(biāo)題：Quantum Cloud Computing: The Future of Cloud Computing Technology，作者：Srinivas Chippagiri