發力量子計算軟體、演算法和應用，阿里AQL聯合學界尋找「量子貓」

機器之心原創

作者：樊曉芳

「相信會有量子計算機，相信量子計算機會以非常棒的方式進入我們生活，相信我們會有一個新的量子技術的生態環境，也相信量子技術會讓計算更加安全。」阿里巴巴量子技術首席科學家施堯耘在 10 月 12 日的雲棲大會量子技術峰會上如是說道。

此次阿里巴巴量子技術峰會以「量子 IT 展望」為主題，邀請了來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）、荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）、悉尼科技大學（UTS）、加拿大圭爾夫大學和滑鐵盧大學量子計算研究所（IQC）、荷蘭國家數學和計算機科學研究中心（CWI）、中科大等國際知名量子技術研究機構的 9 位教授參會分享，分別就各自在量子信息理論、量子編程語言、量子計算軟體、量子演算法及計算複雜性、量子計算雲平台、量子互聯網、量子通信等量子信息技術研究方向介紹了各自的工作成果和見解。

這次量子峰會也是自 2013 年姚期智教授在清華大學交叉信息研究院和 2015 年應明生教授在悉尼科技大學舉辦量子信息處理國際會議（QIP）後，華人舉辦的學界嘉賓參與度最高的一次國際性量子信息科學研討會。

就在量子峰會的前一天、雲棲大會的首日，施堯耘與中科院潘建偉院士共同推出了由阿里雲與「中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室」聯合開發的「量子計算雲平台」。這也是自阿里巴巴在今年 3 月雲棲大會深圳峰會上公布全球首個雲上量子通信商用服務之後在量子信息技術業務上的又一新動作。據悉，阿里巴巴自 2014 年開始就陸續在量子密鑰分發、數據傳輸、基於雲環境的加密系統、電子處方等量子保密通信業務領域申請了多項專利。

「我其實覺得很慚愧，阿里巴巴在量子通信和量子計算雲平台上的眾多工作，是在我加入之前就有了，靠團隊多年的沉澱積累和努力。我剛加入並沒有貢獻太多，但還是上台參加了發布儀式。現在我加入後，會更系統地規劃考慮。」施堯耘說道，「跟中科院和中科大的合作更多是從硬體層面，如量子器件和量子計算雲平台基礎設施。未來會繼續加深合作，也可以讓阿里的人去科大學習他們的實驗，開展互補的合作。同時謝崇進謝博士在量子通信方向的工作，也會更加的支持，與謝博士一起努力。」

「量子計算的成功不僅需要量子處理器，還有其他軟體、演算法、應用三個關鍵部分。阿里巴巴要重點發展量子計算軟體、演算法、應用這三個方面，同時和實驗團隊合作開發處理器。」施堯耘與機器之心強調。

施堯耘似乎更明白，阿里巴巴在 IT 基礎設施和演算法工程上擁有的多年開發經驗及龐大的互聯網業務應用場景對開展量子計算軟體和應用業務研究具備先天優勢。

當談及阿里雲量子實驗室（AQL）未來在量子信息技術方向的戰略規劃時，施堯耘告訴機器之心，「工作重點有四個環節。首先是硬體，阿里巴巴已經和潘建偉教授合作，未來也會和更多研究所合作，包括量子器件、量子控制、量子計算機設計等。再往上是量子軟體，應明生教授是這方面的專家。再往上一個層次是量子演算法，可與 Andris Ambainis、Mario Szegedy 教授合作。最上層是應用，模擬量子系統。我們希望越早行動越好，做到行業最高水平。」

「同時我們希望被看成是個學術研究機構，把科學問題研究好。在人員上，我們希望與學界一起培養博士生，正式人員多做訪問和教育。因此我們不僅會招直接可以工作的人才，更希望從學生開始培養，促進他們思考，增加他們對阿里的感受，等學生學成之後，也會更匹配阿里的戰略發展。」

「我還想做『量子貓』！」此時的施堯耘尤其興奮。「Quantum Cat」他再次重複道，「這可不是薛定諤的貓。你們有聽說過谷歌那個很有名的『找貓』項目嗎？谷歌通過發展了大規模機器學習實現了『識別什麼是貓』這個任務。找貓的結果並不重要，但是找貓的技術可以解決很多的其他領域的應用問題。找到一個很重要的應用場景，並簡化這個技術，用它來解決其他的關鍵問題。」

自今年 9 月份正式加入阿里巴巴，施堯耘已迅速投入組建阿里雲量子實驗室（AQL）的工作中。本次量子峰會上受邀參會的嘉賓均為施堯耘從拜訪過的國內外量子科學學術和研究機構中邀請的學術代表。據施堯耘透露，未來阿里巴巴也將陸續與這些教授和機構展開更深入的學術交流和人才聯合培養的合作。

結合其自身在量子演算法和複雜性、量子系統和量子計算模擬等領域的學術背景，施堯耘選擇聚焦自己更擅長但國內學界關注度較弱、人才欠缺的量子計算軟體、演算法和應用研究領域，無疑是能同時藉助企業優勢發力，滿足企業研發需求，並直接促進國內量子計算行業發展的最好方式。

量子軟體是量子計算機的靈魂

「量子計算機要發展起來，也要重視量子軟體的發展」，現任中國科學院軟體研究所副所長、清華大學和悉尼科技大學教授應明生在會上表示。作為量子計算程序理論和語言構造方向最傑出的領軍學者之一，應教授早在 2008 年就呼籲：「一旦量子計算機研製成功，量子軟體的開發將變成真正發揮量子計算機作用的關鍵[1]。」

量子計算機軟體和經典計算機軟體一樣，是用戶與計算機硬體進行交流和控制的介面界面，其包括量子編程、量子演算法、量子計算模型與複雜性等研究領域。

「量子計算機非常難構建，同時也非常難進行編程，現在已有許多人正在關注量子計算硬體研發，我們是時候應該多關注量子編程軟體及學習如何控制和使用量子計算機，甚至量子計算機科學。」荷蘭國家數學和計算機科學研究中心（CWI）Harry Buhrman 教授在會上提出。

但由於量子物理系統與經典物理體系相比有很多諸如量子疊加態、相干性、糾纏等根本性不同的特徵，現有已知的例如帶隨機存儲（RAM）的量子圖靈機、量子線路模型、絕熱量子計算、拓撲量子計算等主流量子計算模型也都與經典計算機在較多層面上有不同程度的差異。量子計算軟體很大程度上不能直接使用經典計算軟體的理論、方法和技術，這也讓量子軟體的開發變得十分困難且備具挑戰。

「我的工作是開發量子軟體，在不考慮量子計算機硬體的研發情況下增加量子計算機的算力。」來自蘇黎世聯邦理工學院博士在讀生、開源量子軟體框架 Project Q 團隊的核心成員之一 Damian Steiger 說道。其團隊希望通過搭建一個統一的量子計算軟體框架，使用接入的量子計算機或超級計算機模擬的量子計算機模擬環境來測試演算法的速度和正確性，以便更好地降低傳統經典計算機開發者設計和開發量子軟體的門檻。該軟體可通過 www.projectq.ch 下載和安裝，直接對接 5 量子比特的 IBM Q 量子計算商用系統。研發者只需懂 Python 即可操作，並可以調用其自帶的資料庫 FermiLib 以解決例如從分子立體結構到使用漢密爾頓函數的量子門的研發等相關費米子問題，或在模擬環境中驗證自己的量子演算法是否可行，以及進行量子演算法、量子編程、控制量子計算機運作能力甚至量子遊戲的開發。

量子編程語言研究保障量子軟體工程

「若在量子語言廣泛傳播之前沒有一個紮實的語義基礎研究，會對這領域的軟體工程造成巨大災難[2]。」應教授在演講中引用英國格拉斯哥大學計算機科學學院研究量子計算、通訊和加密方向的 Simon Gay 教授在 2006 年發布的一項研究中的觀點，也意在提出，在量子計算硬體存在之前就開始設計和準備量子編程語言，也是一種合理的思路。

1996 年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）提出了第一個理論上可通過經典計算對量子計算進行預處理來獲得量子系統測量結果的主從式量子計算機體系結構「量子隨機存儲機（QRAM）」以及適合在其體系上實現的量子程序設計偽代碼語言[3]，對量子寄存器的應用和引入方法、量子寄存器與傳統寄存器之間如何對接轉換等問題做出了詳細建議，為當時量子編程語言設計領域提供了重要的構想基礎和設計啟發。

隨後的 10 年間，基於 QRAM 體系或結合經典 C 語言等新思考後的一些簡單的量子程序設計語言 QCL、qGCL、QPL 被陸續提出。但該領域真正的研究熱情和工作還是在美國情報先進研究計劃署（IARPA）於 2010 年開啟量子計算科學項目之後被激發。至今比較受關注的量子編程語言包括受 IARPA 支持的 Peter Selinger 組的 Quipper、普林斯頓大學等單位合作實現的 Scaffold，企業界代表微軟的 LIQUi|> 和量子計算創業公司新秀 Rigetti 的 Quil，以及學界代表 ETH 的 Project Q 等。

「編程工作是經常容易出錯的，且相比在經典物理世界，人類在經典世界中獲得的常規思維方式和直覺更難適應並理解量子世界，因此在量子計算機上編程更容易出錯。」應教授解釋道。根據這個思考邏輯，應教授認為在量子程序設計中十分有必要添加驗證功能。具體可從其命令式量子程序中的核心語言出發，將合適的驗證邏輯結構嵌入量子程序的分析當中。「最有意思的是量子化的『if statement』和『while』這兩個結構，他們在量子程序中的驗證分析問題都得到了解決。」應教授指著自己的演示文稿有興許激動，「這樣程序就會根據認證結果輸出選擇後的結果，並選擇性地執行循環，用於檢驗量子程序的完全正確性或部分正確性。」

同時基於對量子編程語言多年的研究基礎，應教授也希望在未來重點發展其 Q|SI>量子程序設計環境，具體包含 1）量子程序設計語言，例如在其他編程語言中沒有出現過的量子「while」循環；2) 量子編譯器qCompiler，將量子編程語言寫成的程序編譯成例如IBM QASM 2.0 等底層的量子彙編語言；3)量子模擬器 qSimulator，現在正進行 45 個量子比特的量子程序的模擬；4）量子程序認證工具 qVerifier；5）量子程序終止分析工具 qTerminator。

應教授表示其未來的工作重點將更多關注其語言邏輯在比如對量子加密協議和量子關係 Hoare 邏輯的驗證上的應用，以及開發更多帶有糾正功能演算法來進行程序驗證。同時，在如增加量子控制、量子遞歸等角度提出更多程序構念，通過在平行、並發、分散式量子編程上更多的研究工作來實現 49-50 個量子比特/「Quantum Supremacy」的分散式量子計算系統、不同進程中的糾纏狀況、並行量子計算機內存模型，以及對量子網路進行編程。

量子演算法可實現指數級加速

「這是我們再熟悉不過的 Peter Shor」，羅格斯大學計算機科學系教授 Mario Szegedy 笑著介紹道，「左邊是他發明 Shor 演算法時的樣子，右邊是他現在的樣子」。Szegedy 教授作為 PCP 定理和流演算法的證明者和貢獻者之一，曾兩次獲得理論計算機領域最高榮譽獎 G?del Prize，其工作對量子演算法和計算複雜性以及量子通信密碼學和工程研究提供了非常重要的理論基礎。同樣 Peter Shor 教授也因開發了可用於因數分解的 Shor 演算法獲得1999 年的 G?del Prize[4]。

Mario Szegedy 教授的演示文稿中的插圖

Shor 演算法最明顯的用途就是對使用大因數分解方式、依賴計算複雜性製造的 RSA 加密演算法進行破譯。一個 1024 比特的 RSA 演算法需要 1 百萬個 CPU 來解決，但現在即使使用最小數量量子比特的量子計算機上運行 Shor 演算法，也只需要約 10 小時。隨著量子計算機上的量子比特數量逐個增加，其計算能力呈指數級增長。

與 Shor 演算法齊名的另一種量子演算法是 Grover 搜索演算法。Grover 演算法的存在讓針對搜索問題嘗試的次數降到根號級別，花費的時間成根號級數縮短。「量子搜索對大規模數量搜索應用的作用非常大，比如在優化問題中找到最佳路線和規劃、破譯密碼中減少窮盡式嘗試密鑰所需要的次數、目標事件發生概率預測情況下減少測試數量等解決複雜的統計問題。」拉脫維亞大學物理和數學系教授 Andris Ambainis 表示。Ambainis 教授是該大學計算系量子計算研究組的負責人，其工作重點集中在量子搜索演算法、計算複雜性、量子通信和密碼學等量子信息理論研究工作。其最近的研究方向是通過使用回溯、量子漫步、Quantum Query 等原理針對可被等價為規模可知但結構未知的搜索樹的計算任務來設計對應可進行加速計算的量子演算法。

大多數計算機科學視角中的量子計算是指能實現指數級加速的量子演算法。現今已知的量子演算法大體上可以分為以上提到的以 Shor 為代表的用於因數分解以及解決隱含子群問題（HSP）的演算法、以 Grover 為代表的用於非結構化搜索和優化的演算法、以 D-Wave 使用的量子退火演算法為代表的用於解決量子組合優化問題的量子絕熱演算法、用於模擬量子化學、超導、材料學和超能物理等量子系統的量子模擬演算法、求解線性系統的量子 Harrow-Hassdim-Lloyd（HHL）演算法，以及量子漫步等演算法[5]。量子演算法的優化能使整個量子計算機系統擁有較高的總體效用。

「有很長一段時間，量子計算領域只有 Shor 演算法和 Grover 演算法兩個常被提及的量子演算法，但近年情況有所好轉。研究者正在發展和構建諸多量子演算法設計框架，為針對各種問題的量子演算法設計賦能。」悉尼科技大學教授季錚鋒在演講中說道。除了設計量子演算法框架，量子演算法面臨的挑戰還包括如何將這些量子演算法框架應用到現實問題中，比如用到機器學習、材料科學、量子化學等領域。

量子計算複雜性研究助力演算法設計和問題求解

季教授師從應明生教授，多年來的學術研究方向主要在量子計算複雜性。量子計算複雜性主要研究不同計算模型在量子物理的新視角下其計算能力和性質的變化，其領域包括 1）類比經典可計算性理論的量子線路模型、量子圖靈機、量子圖靈機和量子線路模型等價性、BQP（量子計算機多項式時間能處理的判定問題對應的複雜度類）、Oracle Separation；2）量子黑盒複雜性；3）Quantum Supremacy 和其背後的複雜性理論支持，例如後選擇效應（Postselection）、與多項式階層相關的問題等等。量子複雜性理論中另一個獲得長足發展的領域是對應經典計算複雜性理論中證明驗證的量子推廣。這個領域研究包括 QMA（量子計算版本的 NP 類）、量子 Cook-Levin 理論、哈密頓複雜性等其他與凝聚態物理的相關性，以及量子互動式證明和對量子 PCP 猜想的探索等。

同時，季教授又提及量子複雜性面臨的挑戰，需要首先更好理解 BQP 類在經典計算與量子計算之間的關係，以及證明或證偽量子 PCP 猜想（其結果也會幫助人們更好理解量子糾纏的原理和糾纏證明的能力）。這些複雜性理論上的進展有望應用在量子計算的委託問題上，也就是將來量子計算能力放至雲端後，我們需要考慮如何可信地把我們的計算問題委託給雲端的量子計算機來處理。

量子計算雲平台加速演算法開發及應用

在當今量子計算機還沒有商業化應用之前，量子程序設計仍需要在傳統經典計算機上進行，但畢竟經典計算體系和量子計算體系在設備的物理原理上存在的根本差異會造成一定的演算法設計偏差和驗證困難。量子計算雲平台的出現為廣大研究人員和開發者提供了一個更好的量子程序設計和應用開發環境。

在量子峰會召開的前一天，中科大潘建偉教授牽頭的中科大-阿里巴巴量子計算實驗室、清華大學物理系龍桂魯教授與加拿大圭爾夫大學數學系和滑鐵盧大學量子計算研究所（IQC）的曾蓓教授共同帶領的實驗組、中科大郭光燦院士的本源量子公司同時發布了基於不同物理體系量子計算機的量子計算雲平台，也意味著中國在量子計算雲平台的工作上邁出了嶄新的一步。

「NMRCloudQ 是國際上首個基於核磁共振的量子云計算平台項目。暫時還是初步測試版本，但在上線後的一天內已經收到近 100 個遞交的計算任務。」曾蓓教授在會上重點介紹了該項目。「我們參與這個項目的清華團隊成員們也都來到了現場，大家有什麼技術問題可以直接問他們。」曾蓓教授多次在會上激動地介紹她「可愛的」同學和合作者們。

據了解，NMRCloudQ 對接的核磁共振量子計算機是曾蓓教授在本科時期科研訓練方向的老師龍桂魯教授製作的，包含四個量子比特，但是邏輯門保真度超過 98%，可以完成很多步複雜的邏輯門[6]。同時，該項目將核磁共振量子計算體系的控制層也開發給用戶，用戶可從實踐中對量子計算機體系結構和運行方式有更深度的理解，自行開展量子計算和量子操控的研究。

曾蓓教授介紹 NMRCloudQ 團隊

曾蓓教授在核磁共振量子模擬器上的研究還包括使用基於測量量子反饋控制（MQFC）的優化方式製造了一個由 12 量子比特核磁共振量子處理器設計的擁有必要控制脈衝的 12 個相干態，以便通過使用量子處理器最大化其控制能力和精確性[7]。因為 MQFC 也容易遷移應用到其他技術體系的通用量子信息處理器上，為進行更大規模和更精確地控制量子系統提出了一條新思路，也有助於更進一步實現「Quantum Supremacy」的展示。

產研結合讓量子計算成為可能

「今天英特爾公布了 17 個量子比特的超導量子計算機晶元，這個晶元就是與我們 QuTech 研究所合作完成的。」，來自荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的 Stephanie Wehner 教授在演講時激動地表示。QuTech 是由被譽為「歐洲麻省理工」的荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）和荷蘭國家應用科學研究院（TNO）合作的針對實現量子計算和量子互聯網成立的高等研究中心。其量子計算實驗室分為拓撲量子計算和容錯量子計算兩大方向，分別與微軟量子計算研究 Station Q 在拓撲量子計算方面、與英特爾在超導量子體系路線上有深度合作。

Stephanie Wehner 教授演講中關於 QuTech 工作架構的介紹

QuTech 有多個物理體系的量子計算硬體平台，包括超導量子電路系統、半導體量子點電子自旋量子比特系統、金剛石 NV（氮-空位）電子自旋和核自旋量子比特系統、超導-半導體體系中拓撲馬約拉納量子比特系統。因為對於做量子計算軟體系統的研究者來說了解硬體平台的優缺點來說很有必要，有的系統擁有較快量子門電路速度但其量子比特的壽命較短或相干性維持時間較短，取決於該系統的應用場景是計算還是長距離通信。同時，QuTech 具備整套量子硬體和軟體研發環境，並擁有 QuTech Academy 學院來培養未來更多的量子工程師。

Qutech 量子計算硬體平台介紹

由 QuTech 提出的電路模型可編程量子計算機構架 [8]

「我們於 2015 年創辦了 QuSoft 學術研究院，專註解決量子軟體問題。」來自 CWI 的 Harry Buhrman 教授同樣激動地表示。

「量子軟體是任何量子計算機的核心，但最直接的挑戰是現有量子計算機擁有的量子比特數量遠小於 100。不過，我們可以先考慮在僅有 10-50 或更小數量量子比特的量子計算機系統上可以開發何種應用，特別是在這群量子比特還比較脆弱及不穩定的環境下。其次，在現有小規模量子網路的基礎上，如何實現量子密碼分散式系統、通過長距離量子中繼器上的量子對糾纏。再之，需要考慮糾錯機制。」Harry Buhrman 教授詳細地介紹了 QuSoft 研究院未來的研究方向。

QuSoft 研究院研究方向介紹

邁向「量子霸權」？

自 2011 年加州理工學院物理學家 John Preskill 教授提出「Quantum Supremacy」[9]的概念以來，業界對提出該詞這個行為本身的意義、對該詞的理解是否存在偏差或過分解讀的情況、學術界短期追逐創造更高數量量子比特的量子計算機的利與弊等話題都充滿了討論。

「我不是很喜歡 Quantum Supremacy 這個詞。」當機器之心問及 Buhrman 教授時，他回答道，「因為現有一些還沒開發出應用價值的演算法即使實現了 Quantum Supremacy，也僅僅是運用量子處理器在解決某一運算任務上的成績比較好，但其沒法去模擬經典計算機能處理的問題。但也算是下一步比較好的研發方向。」

Ambainis 教授則表示，「我認為 Quantum Supremacy 在短期還是非常重要的目標，表示大家在爭取實現一些量子優勢。玻色採樣演算法是個很有意思的例子，因為針對量子演算法的商用價值，你還需要其他各種資源、更先進的量子設備、對應用場景更清楚地理解來進行研究。」

Buhrman 教授又笑著向機器之心解釋說，「通常人們需要先對量子計算機在計算何種問題上比經典計算機計算得快的想法，然後才會去嘗試考慮運算的實用性和具體應用領域。所以我們首先是要先儘力尋找量子計算機能在做什麼任務時速度可超越經典計算機的運算。即使暫時還沒看到這些演算法的具體應用，也要堅持去做，有些演算法現在看起來沒用，但可能演算法在變體後就有用。正如第一個量子演算法是由 David Deutsch 提出[10]，能很好展示量子計算確實能夠在某些問題的計算能力上遠超經典計算機，但在當時看來其演算法都是沒有應用價值的。但後來Peter Shor 突然發現可以利用 David Deutsch 的這些想法來分解數字，於是提出了現在最有應用價值的演算法之一『Shor』，這樣一個無用的演算法瞬間變成特別有用。這些成果在事先都是沒法預測的，只要跟隨個人的好奇心，一定會有意想不到的成績出現。」

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參考文獻

[1] 量子程序理論及相關問題研究. 馮元, 段潤堯,季錚鋒, 應明生. 中國計算機學會通訊.2008.07

[2] S.Gay, Quantum Programming Languages: Survey and Bibliography (MathematicalStructures in Computer Science 16(4), 2006)

[3] E. H.Knill, Conventions for quantum pseudocode. Technical Report LAUR-96-2724, LosAlamos National Laboratory, 1996

[4] G?delPrize http://eatcs.org/index.php/goedel-prize

[5] A.Montanaro, Quantum algorithms: an overview. arXiv: 1511.04206v2. 17 Dec 2015

[6]NMRCloudQ: A Quantum Cloud Experience on a Nuclear Magnetic Resonance QuantumComputer. arXiv: 1710.03646v1. 10 Oct 2017

[7] DaweiLu, Keren Li, Jun Li, Hemant Katiyar, Annie Jihyun Park, Guanru Feng, Tao Xin,Hang Li, GuiLu Long, Aharon Brodutch, Jonathan Baugh, Bei Zeng, RaymondLaflamme (2017). Towards quantum supremacy: enhancing quantum control by bootstrappinga quantum processor. arXiv: 1701.01198v1. 5 Jan 2017

[8] X.Fu, L. Riesebos, L. Lao, C. Almudever, F. Sebastiano, R. Versluis, E. Charbon,and K. Bertels, 「A heterogeneous quantum computer architecture,」 in Proceedings of the ACM International Conference on Computing Frontiers. ACM,2016, pp. 323–330

[9] J.Preskill, 「Quantum computing and the entanglement frontier,」 arXiv:1203.5813

[10] David Deutsch and Richard Jozsa (1992). "Rapid solutions of problems by quantum computation". Proceedingsof the Royal Society of London A. 439: 553.

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