“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)拓寬應(yīng)用邊界

“天衍”量子計(jì)算教研一體化平臺(tái)的上線，標(biāo)志著我國(guó)量子教育體系與算力基礎(chǔ)設(shè)施邁入深度融合新階段，中國(guó)在量子計(jì)算研發(fā)、應(yīng)用與人才培養(yǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式突破。

2025年是聯(lián)合國(guó)宣布的量子科學(xué)與技術(shù)國(guó)際年。作為全球科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，量子計(jì)算的基本計(jì)算單元為量子比特，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特具有相同的功能，即存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)。因其強(qiáng)大的計(jì)算能力，量子計(jì)算在攻克復(fù)雜計(jì)算難題上展現(xiàn)出經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以企及的優(yōu)勢(shì)。目前，量子計(jì)算已被視為人類科技發(fā)展的下一個(gè)重要突破口，是全球科技領(lǐng)域具有巨大前景的研究和應(yīng)用方向。

量子計(jì)算優(yōu)越性的應(yīng)用暢想

量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的全新計(jì)算模式，具有原理上遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大并行計(jì)算能力，但是量子計(jì)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件是“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。

前不久，我國(guó)“祖沖之三號(hào)”發(fā)布，其處理“量子隨機(jī)線路采樣”問(wèn)題的速度比目前國(guó)際最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快千萬(wàn)億倍，是目前超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄，我國(guó)也是目前世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種物理體系上都實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。

此前，中國(guó)電信推出全球首個(gè)具有“量子計(jì)算優(yōu)越性”能力的超量融合云平臺(tái)—“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)，入選“2024年央企十大國(guó)之重器”。“天衍”在算力建設(shè)、算力調(diào)度、軟硬件服務(wù)、商業(yè)應(yīng)用探索四個(gè)領(lǐng)域做到了全球領(lǐng)先，平臺(tái)接入由一臺(tái)24比特、兩臺(tái)176比特和一臺(tái)504比特量子計(jì)算機(jī)，組成國(guó)內(nèi)“規(guī)模最大”的880比特超導(dǎo)量子計(jì)算集群，并基于天翼云通智超量算力調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算和量子算力的高效混合調(diào)度；2024年，中國(guó)電信推出國(guó)內(nèi)單臺(tái)量子比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)—天衍-504，具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)部署和運(yùn)維能力。

目前“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)訪問(wèn)量已突破2700萬(wàn)，覆蓋海內(nèi)外50多個(gè)國(guó)家的用戶，實(shí)驗(yàn)任務(wù)數(shù)超過(guò)140萬(wàn)，未來(lái)將接入全國(guó)目前最高水準(zhǔn)的“祖沖之三號(hào)”同款超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

此外，“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)正式入駐國(guó)家超算互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)SCNet。通過(guò)新增量子算力類型與傳統(tǒng)超算資源深度融合，推動(dòng)人工智能、密碼破譯、藥物研發(fā)等關(guān)鍵領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新，全面拓寬高性能計(jì)算的應(yīng)用邊界。

截至目前，“天衍”已經(jīng)推出的量子計(jì)算產(chǎn)品和服務(wù)包括：自主可控的“天衍”系列量子計(jì)算整機(jī)交付和運(yùn)營(yíng)，服務(wù)于四算融合新型算力中心；基于“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)多類型量子算力供給，服務(wù)于高校和研發(fā)機(jī)構(gòu)；在教育、氣象、電力、AI等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)量子計(jì)算應(yīng)用方案等。

技術(shù)革新帶來(lái)的算力革命

量子力學(xué)是20世紀(jì)以來(lái)最重要的科學(xué)進(jìn)展之一。隨著第一次量子科技革命的推進(jìn)，量子信息科學(xué)迎來(lái)了新一輪的快速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，量子科技革命的第二次浪潮來(lái)臨，催生了量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)量等一批新興技術(shù)，極大地改變和提高了人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。

如果把量子科技比作一架“飛機(jī)”，那么量子計(jì)算就相當(dāng)于飛機(jī)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，量子通信就相當(dāng)于飛機(jī)的“無(wú)線電”，量子測(cè)量就相當(dāng)于飛機(jī)的“雷達(dá)”。量子計(jì)算是利用量子技術(shù)獲取更強(qiáng)算力，量子通信是利用量子技術(shù)獲得更安全通信，量子測(cè)量是利用量子技術(shù)獲得更精準(zhǔn)的測(cè)量。

量子計(jì)算的發(fā)展最早可以追溯到上世紀(jì)80年代，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼首次提出量子模擬的概念，之后科學(xué)家通過(guò)一系列驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)論證了量子計(jì)算的可行性，指出可利用量子計(jì)算機(jī)求解電子計(jì)算機(jī)（經(jīng)典計(jì)算機(jī)）難以解決的問(wèn)題。

在隨后的幾十年里，理論物理學(xué)家不斷完善量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)，包括量子比特的引入、量子疊加態(tài)和量子糾纏等特性的揭示。1994年，彼得·肖爾提出的肖爾算法和洛夫·格羅弗的格羅弗量子搜索算法，更是進(jìn)一步展示了量子計(jì)算機(jī)在解決特定問(wèn)題上的高效性。

相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具備一些獨(dú)有的特性。首先，一個(gè)經(jīng)典比特具有0和1兩種可能的狀態(tài)，在同一時(shí)間只能處于其中的某一個(gè)狀態(tài)；而一個(gè)兩能級(jí)量子比特可以處于0態(tài)和1態(tài)的疊加態(tài)，也就是說(shuō)一個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1兩個(gè)數(shù)。其次，多個(gè)經(jīng)典比特之間是獨(dú)立的，而量子比特之間組成的是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)。

這些特性共同導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比具有兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：一是量子計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)量隨比特?cái)?shù)的增多呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，理論上當(dāng)比特?cái)?shù)足夠大（例如比特?cái)?shù)達(dá)到250個(gè)）時(shí)，量子計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量比宇宙中所有原子的數(shù)目還要多；二是量子計(jì)算機(jī)是對(duì)量子比特構(gòu)成的整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行操作，可以將其理解為一種原理上的“并行計(jì)算”，這是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

量子計(jì)算的賦能空間充滿想象

目前，中國(guó)的量子算力已應(yīng)用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、金融、生物醫(yī)藥等多個(gè)重要領(lǐng)域。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、船舶設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，與飛行器、汽車及船舶的外形設(shè)計(jì)都緊密相關(guān)。算力提升可以加快飛機(jī)、汽車的更新迭代并降低設(shè)計(jì)成本。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)越來(lái)越難以滿足這些領(lǐng)域?qū)τ?jì)算規(guī)模、計(jì)算精度和計(jì)算速度的要求。量子計(jì)算為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)提供了新的算力選擇。相較于傳統(tǒng)方法，量子計(jì)算能夠顯著加速流體動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程，從而大幅縮短研發(fā)周期并節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

2024年10月25日，中國(guó)科學(xué)家在“本源悟空”上，成功完成了全球最大規(guī)模的量子計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)量子算力在解決實(shí)際問(wèn)題方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊《應(yīng)用力學(xué)與工程中的計(jì)算機(jī)方法》上。中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、“本源悟空”科研團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)人郭國(guó)平表示：“此次研究不僅證明中國(guó)自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)具備開(kāi)展大規(guī)模、高精度流體動(dòng)力學(xué)研究的能力，也為我們探索更多復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題提供了新工具和新方法。”

“本源悟空”于2024年1月上線，是目前我國(guó)先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，截至這次實(shí)驗(yàn)，“本源悟空”已為來(lái)自全球133個(gè)國(guó)家超1500萬(wàn)人次提供量子云服務(wù)，完成27萬(wàn)個(gè)量子運(yùn)算任務(wù)。

在金融領(lǐng)域，量子計(jì)算可以用于風(fēng)險(xiǎn)管理、投資組合優(yōu)化、期權(quán)定價(jià)和金融市場(chǎng)預(yù)測(cè)等方面。通過(guò)量子算法，金融機(jī)構(gòu)可以更快速準(zhǔn)確地分析大量數(shù)據(jù)，為投資者提供更精確的投資建議?！氨驹次蚩铡贝饲吧暇€的全球首個(gè)采用分布式量子計(jì)算思路設(shè)計(jì)、規(guī)模最大的投資組合優(yōu)化真機(jī)應(yīng)用，依托“悟空芯”量子芯片，在處理相同規(guī)模問(wèn)題上，資源消耗遠(yuǎn)低于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，為處理大規(guī)模投資組合優(yōu)化問(wèn)題、得出特定風(fēng)險(xiǎn)偏好類型下的最佳收益組合開(kāi)辟了更高效的路徑。

在生物醫(yī)藥行業(yè)，量子計(jì)算能夠助力藥物設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、醫(yī)療數(shù)據(jù)的分析與處理等關(guān)鍵領(lǐng)域?！氨驹次蚩铡蹦壳耙焉暇€分子對(duì)接預(yù)測(cè)應(yīng)用、藥物毒性預(yù)測(cè)應(yīng)用、藥物相互作用預(yù)測(cè)應(yīng)用等多款基于真實(shí)量子計(jì)算芯片的應(yīng)用。其中，藥物相互作用預(yù)測(cè)應(yīng)用以“本源悟空”為計(jì)算后端，采用了量子混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)合了量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)編碼能力和經(jīng)典圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，為藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大進(jìn)步。

2023年，本源量子與蚌埠醫(yī)科大學(xué)達(dá)成合作，共探量子計(jì)算在輔助醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別、疾病診斷、藥物篩選、診斷標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。以診治乳腺癌為例，通過(guò)將量子計(jì)算與深度學(xué)習(xí)方法結(jié)合，本源量子設(shè)計(jì)了混合經(jīng)典量子圖像算法，針對(duì)乳腺鉬靶圖像的分類、分割進(jìn)行高精度快速分析，幫助臨床醫(yī)生更加準(zhǔn)確高效地對(duì)患者病情作出判斷，讓醫(yī)生在診治乳腺癌時(shí)也用上了中國(guó)自主可控量子算力。