撥開量子計算的雲霧

系統上線一天的感言: 清華大學的量子云服務測試開放一天多了，目前有一百六十多個用戶，提交了近一百個任務。用戶使用我們的服務時，偶爾會出現保真度特別低的結果，我們知道這是系統軟體的bug，正在努力的解決中。bug的存在某種程度上也向用戶暗示，他們提交的任務確實是運行在真實的量子計算機上的，而不是在模擬器上。我們開發這個服務的目的之一，就是希望有更多人來幫助我們測試系統，報告bug給我們，幫助我們提升系統，大家共同促進中國的量子計算研究。

作為清華大學交叉信息研究院的老師，我帶過好幾位本院姚班本科生做科研訓練。不過尷尬的是，我是純粹的物理學背景，而學生們大都是信息學背景。他們之所以找我，是想研究量子信息與量子計算。為他們設計合適的研究課題對我來說並不容易。實用的量子計算機還未出現，學生們研究量子計算，只能從比較抽象的數學理論出發，而這並非我所長。我習慣於針對具體的實驗系統來做理論，需要長時間的積累和比較好的物理基礎，這又非計算機專業本科生所長。

正在跟我做研究的姚班大四學生黃施霖，是一年半以前加入的。他選擇研究量子信息的起因是他不想走尋常路，要挑戰量子信息與量子計算。可是黃同學的高中物理基礎一般般，必須要把物理補一下才能做量子信息。他在我組裡參加了半年多組會，學習了院里的量子信息課程，做了點初步的研究之後，今年春季我推薦他去加拿大滑鐵盧大學的Institute for Quantum Computing（IQC），跟著曾蓓老師做了一個學期的科研。在加拿大，黃同學表現出深厚的數學基礎和敏銳的觸覺，做了好幾個漂亮的工作。尤其是學會了與實驗合作，對基於核磁共振的量子計算系統有了初步的了解。

今年暑假，曾蓓教授來清華大學高研院訪問。八月的一天，她召集組裡的學生博後，並找到了我同事孫麓岩教授，來訪問的電子科大王曉霆教授，以及我來交流討論IBM新上線的量子計算雲服務。曾蓓的學生陸思銳（基科班大三）用投影儀展示了這個服務的細節，我們覺得很不錯。對我來說，這個服務解決了我指導本科生做科研的一個大問題。所以我馬上叫我組裡的姚班學生去學習這個服務的用法，並通過曾蓓的推薦，拿到了邀請碼，獲得了登錄許可權。

我們同時也有非常強的緊迫感：美國的量子計算都已經走到了實用化的邊緣了，這個雲服務平台就是證明，如果我們自己不行動起來，差距會越來越大。我們注意到，量子計算的研究其實是分層級的。最底層的是物理層，研究如何設計量子計算的晶元電路，量子比特所承載的材料等等。在這之上是量子控制層，涉及到對量子計算晶元的最優化控制與讀出等。量子控制層之上是量子電路層，這一層包含我們做量子計算理論模型分析經常要用的的量子邏輯門序列等。在量子電路層之上才是量子演算法層面。再往上，才涉及到量子糾錯的邏輯量子比特，量子容錯計算，以及量子程序等等。

IBM的量子云服務，開放的是量子計算中的量子電路層和量子演算法層。用戶可以根據所要運行的演算法，設計好電路，並轉換為程序語言發送給雲端，由計算機轉換為相應的量子控制脈衝信號，操控量子計算機運作，最終得到計算結果，然後返回給用戶。對於用戶來說，利用這個雲服務，可以學習量子計算的基本理論與方法，對未來的量子計算機有一個直觀的感受。這個服務的界面對信息學背景的人是非常友好的。他們學會了量子計算的演算法規則後，可以自己編程，控制雲端伺服器完成相應的計算任務。但是對於想要自己造量子計算機的研究人員來說，這個服務就遠遠不夠了。我們還關心量子控制層，針對物理層如何優化控制脈衝，提升量子邏輯門的保真度等等。

有人說，那我們就做一個自己的量子云服務吧！這個提議獲得了大家一致的認可。我們在量子計算的理論與實驗上積累很長時間，大家的背景各不相同：有的擅長量子計算的糾錯與容錯理論分析，有的擅長量子計算的物理實現理論，有的擅長量子計算的控制脈衝優化與計算，還有的擅長計算機編程。有這麼多經驗豐富的教授、博士後、博士生以及基科班與姚班本科生，就缺一台量子計算機了！

參加討論的物理系博士生辛濤和李可仁提出，他們的導師龍桂魯教授早就想做量子云，恰好龍老師是曾蓓的本科科研訓練指導老師，於是正好合作。龍桂魯教授2000年開始指導曾蓓做本科科研，早在那時，他們就開始了基於核磁共振量子計算的實驗研究。目前已經有成熟和穩定的量子計算研究平台，基於此平台完成了不少漂亮的實驗工作。然後曾蓓又找來她的博士後李俊、前博士後魯大為（現為南方科大助理教授）和IQC以及北京計算科學研究中心的羅志煌博士，均為核磁共振量子計算專家。李俊和魯大為實際組織和指導了本項目的許多技術細節。

說干就干，大家分工協作，花了兩個月時間，就把龍桂魯教授組裡的核磁共振量子計算機放到了雲端。大家可以通過下面這個網址了解此項服務的細節：NMRCloudQ，相關的論文也已經貼到預印本網站了: A Quantum Cloud Experience on a Nuclear Magnetic Resonance Quantum Computer 。目前上線的量子云服務只是初步測試版的，只包含四個量子比特，但是邏輯門保真度超過98%，可以完成很多步複雜的邏輯門。之所以把這個服務免費提供給國內外的對量子計算感興趣的研究者們，是期待能通過大家的反饋來進一步提升系統的能力，大家在量子計算的研究上共同進步，一起撥開量子計算的雲霧。通過這個項目，我們自己也都學到很多東西，期待同行們批評指正，共同進步。