量子軟件與量子云

量子軟件與量子云摘要：量子計算技術(shù)對國家的國際地位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防力量提升等發(fā)揮著關(guān)鍵作用。與國際先進(jìn)水平相比，目前國內(nèi)在量子軟件和量子云的發(fā)展上雖處于相對落后的位置，但并不存在技術(shù)代差，只要保持投入和追趕，未來有望占據(jù)優(yōu)勢地位。通過介紹量子計算的技術(shù)背景，論述量子軟件以及量子云的基本體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，對量子軟件與量子云的市場發(fā)展前景作出了展望。關(guān)鍵詞：量子計算；量子算法；量子軟件；量子云；量子計算機(jī)1引言量子計算基于量子物理而非經(jīng)典物理的原理進(jìn)行信息的處理，使用量子態(tài)的疊加和糾纏等特性來進(jìn)行計算［1］。由于基本原理的不同，量子計算機(jī)的計算能力在本質(zhì)上超越了經(jīng)典計算機(jī)，可以有效地解決經(jīng)典計算機(jī)難以解決的某些問題，是一種全新的計算模式。從最初量子計算概念被提出起［2］，利用量子物理原理制造一臺量子計算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子計算成為了人類開始不斷追求的科技夢想之一。

量子計算有許多物理實(shí)現(xiàn)方案，其中基于超導(dǎo)電路芯片的超導(dǎo)量子計算是目前發(fā)展最快的、走在產(chǎn)業(yè)化最前沿的量子計算物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線。超導(dǎo)量子計算技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以初步滿足實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)所需要的各項(xiàng)要求［3］，同時超導(dǎo)量子芯片的規(guī)模和性能，也開始進(jìn)入含噪聲中型量子（NISQ）技術(shù)時代⑷。在量子計算硬件技術(shù)發(fā)展的同時，軟件技術(shù)也在飛速發(fā)展，目前已經(jīng)形成了初步的量子軟件系統(tǒng)。由于和經(jīng)典計算機(jī)存在基本原理上的區(qū)別，量子計算機(jī)中需要運(yùn)行特殊的量子算法才能實(shí)現(xiàn)量子計算的優(yōu)勢，這使得量子軟件的開發(fā)和經(jīng)典軟件有著顯著的不同，同時用戶對于量子計算機(jī)的使用也主要是通過量子云服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)。本文將從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度，介紹量子軟件和量子云的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。2量子計算技術(shù)背景2?1 量子信息的基本單元

要理解量子軟件的特殊性，需要適當(dāng)?shù)亓私庖恍┝孔佑嬎愕募夹g(shù)背景。在經(jīng)典計算機(jī)中，比特亦稱二進(jìn)制位，是信息量的最小單位，只有0或者1兩種狀態(tài)，并且在某一時刻只能處于其中的一個狀態(tài)。而量子計算機(jī)以量子比特為基本單元，遵循量子物理理論原理，通過量子比特狀態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算。這種基于量子比特的信息處理技術(shù)，稱為量子信息技術(shù)口。2.1.1量子比特的狀態(tài)根據(jù)量子物理理論，量子比持不僅可以處于0J兩種狀態(tài)9還可以處于0和1的疊加狀態(tài)d在各種疊加狀態(tài)中一完全處To態(tài)或者1態(tài)是兩種特殊的狀態(tài),稱為量子比特的本征態(tài).用量子信息論的表示法記為|0＞態(tài)和I1〉態(tài)。兩個本征態(tài)的任意線性疊加狀態(tài)|仍也是量子比持町以存在的狀態(tài)*表示為：|⑷|0》十6|1》 ⑴其中，口和?是兩個復(fù)數(shù)，分別稱為|0》態(tài)和丨1〉態(tài)的概率幅,它們模平方之和等于1,稱為歸一化條件：丨叮十I叮=1 ⑺

可以看出，疊加態(tài)中的每種本征態(tài)都占有一定的分量，分量的大小由其概率幅來決定。同時，根據(jù)量子物理理論，量子比特狀態(tài)的變化或者演化由幺正變換描述，因此對于量子比特的量子邏輯門操作，也需要幺正變換操作。量子程序執(zhí)行的過程，實(shí)際上是量子比特的狀態(tài)在一系列量子邏輯門的操作下，不斷受控演化的過程。從數(shù)學(xué)過程上看，狀態(tài)演化對應(yīng)著量子比特疊加態(tài)中各本征態(tài)分量的概率幅的相對變化，在量子邏輯門的作用下，各個本征態(tài)分量的概率幅可以相互影響，此消彼長。2.1.2量子比特的讀取和測量對于量子比特的讀取相對也比較復(fù)雜。讀取操作意味著對量子比特進(jìn)行測量，對處于疊加態(tài)的量子比特的測量，會導(dǎo)致量子比特按照各個本征態(tài)分量概率幅的模平方值所對應(yīng)的概率，塌縮到相應(yīng)的本征態(tài)上去。因此，除非量子比特在測量之前就處于其中一個本征態(tài)，否則在任何其他情況下，測量引起的量子比特狀態(tài)的塌縮都會導(dǎo)致量子比特狀態(tài)發(fā)生變化。

對于量子比特的讀取或測量，會得到兩方面的信息：一方面是量子比特最終所處于的本征態(tài)或者稱為數(shù)據(jù)值，另一方面是得到這個本征態(tài)或數(shù)據(jù)值的概率。當(dāng)然概率是一個統(tǒng)計的結(jié)果，只有通過對于同一種量子比特狀態(tài)的多次重復(fù)測量，才能得到每個本征態(tài)分量出現(xiàn)的概率。量子算法的結(jié)果就是量子比特各種狀態(tài)的概率分布，而這里面最可能的結(jié)果，或者說概率最大的結(jié)果，即受控演化后最終態(tài)概率幅的模平方值最大的分量所對應(yīng)的本征態(tài)，就是我們需要尋找的問題的答案。2.1.3量子比特的其他物理特性除此之外，量子比特還有其他量子物理特性，比如量子糾纏、不可克隆等，這些性質(zhì)既奠定了實(shí)現(xiàn)巧妙的量子算法的基礎(chǔ)，也給量子程序的設(shè)計和測試帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)［5。另外，考慮量子比特的物理實(shí)現(xiàn)，量子比特狀態(tài)可以對應(yīng)著電子自旋狀態(tài)、超導(dǎo)振蕩電路的二能級能量狀態(tài)等，這些量子態(tài)是非常脆弱的，容易受到環(huán)境噪聲的影響，并且在量子比特數(shù)目較小的情況下缺乏有效的糾錯措施。

總的來說，量子計算技術(shù)中量子算法可以有效利用量子比特狀態(tài)的疊加、糾纏等資源進(jìn)行量子邏輯門運(yùn)算，從而帶來指數(shù)級的信息表征和計算能力。同時也要注意到，量子比特也存在測量塌縮、概率結(jié)果、不可克隆、狀態(tài)脆弱等性質(zhì)，給量子信息處理技術(shù)以及量子編程帶來了新的挑戰(zhàn)。經(jīng)典軟件的理論、方法和技術(shù)在很大程度上并不能直接適用于量子軟件，這就使得量子軟件的開發(fā)成為一個十分困難而富有挑戰(zhàn)性的課題。2.2量子計算的基本原理在量子信息論中，量子計算的過程可以由量子線路、量子圖靈機(jī)兩種模型來描述，這二者是等價的［1。其中應(yīng)用最廣泛的是量子線路模型，量子線路是由代表時間演化的線路和作用在量子比特上的量子邏輯門組成的。從本質(zhì)上看，量子線路描述了量子邏輯門在量子比特上的執(zhí)行序列。量子邏輯門是構(gòu)成量子算法的基礎(chǔ)。在量子算法的執(zhí)行過程中，需要改變量子比特疊加態(tài)中各本征態(tài)分量的概率幅的大小和相位，具體操作由量子邏輯門實(shí)現(xiàn)。由于概率幅數(shù)值是要求連續(xù)可調(diào)整的，因此所需要的量子邏輯門的種類比較豐富，包括單比特門和雙比特門，并且可以通過少數(shù)幾個基礎(chǔ)的邏輯門組合出其他任意的邏輯門，實(shí)現(xiàn)

普適量子計算。在量子計算機(jī)上，最后還要對量子比特的末態(tài)進(jìn)行測量，從而得到結(jié)果信息。因此，測量操作也是量子線路的一部分，有時也被稱為測量門。實(shí)際問題在量子計算機(jī)上求解的流程如圖1所示，首先需要把實(shí)際問題抽象成數(shù)學(xué)模型，并且用量子程序來描述其求解的過程，在該量子程序的設(shè)計過程中需要盡可能地使用各種適合的量子算法，以便充分利用量子計算的優(yōu)勢。而在量子程序的執(zhí)行過程中，輸入的數(shù)據(jù)編碼成為量子芯片中量子比特的初始狀態(tài)；然后在量子程序的控制下，把計算過程中所需的量子邏輯門序列和幺正操作序列相對應(yīng)，并把幺正操作作用在量子比特上，控制量子比特的演化，量子算法執(zhí)行完畢后量子比特演化到末態(tài)；最后對處于末態(tài)的量子比特進(jìn)行測量，并把所得的結(jié)果輸出，從而獲得對于實(shí)際問題的處理結(jié)果。

3量子軟件系統(tǒng)3.1量子計算的軟件系統(tǒng)量子軟件是量子計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用和開發(fā)中所使用的軟件的總和。當(dāng)前量子計算機(jī)的軟件系統(tǒng)，總體上可以分成應(yīng)用層軟件、開發(fā)層軟件以及基礎(chǔ)層軟件3個主要的層次（見圖2）。目前，量子軟件還處于生態(tài)體系建立的早期階段，各種軟件的開發(fā)和應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到與經(jīng)典計算軟件相媲美的程度。

圖2量子計算的軟件系統(tǒng)當(dāng)前的量子計算機(jī)可以看作是從經(jīng)典計算機(jī)體系中衍生出來的，量子芯片及其附屬設(shè)備可以看作是經(jīng)典計算機(jī)中的特殊的設(shè)備或者協(xié)處理器，這些設(shè)備可以在量子軟件的控制下運(yùn)行量子算法，并且把結(jié)果返回給經(jīng)典計算機(jī)。因此，在量子軟件系統(tǒng)構(gòu)架上，應(yīng)用層和開發(fā)

層的軟件都是在經(jīng)典計算機(jī)中實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的，而位于基礎(chǔ)層的軟件主要用于維護(hù)和驅(qū)動量子芯片及其附屬糾錯和測控系統(tǒng)的運(yùn)行。這樣的軟件和硬件體系結(jié)構(gòu)實(shí)際上構(gòu)成了一個異構(gòu)解決方案 [6,這也是在全量子計算機(jī)出現(xiàn)之前實(shí)現(xiàn)過渡的主要方式。把量子計算和經(jīng)典計算結(jié)合成一個“混合量子/經(jīng)典”層來加速計算，應(yīng)用程序可以選擇一種或多種計算資源，當(dāng)前主流的商業(yè)化量子計算機(jī)系統(tǒng)就是這種混合經(jīng)典計算和量子計算技術(shù)的產(chǎn)品。3.2應(yīng)用層軟件量子軟件系統(tǒng)中的應(yīng)用層軟件提供了面向各個領(lǐng)域的量子計算技術(shù)應(yīng)用和解決方案，涉及到用量子語言編寫的、能解決特定問題的算法和應(yīng)用程序。這一層也是量子計算軟件系統(tǒng)中與最終用戶和量子計算機(jī)打交道最多的層面，量子云實(shí)際上也位于這一層。3.2.1量子算法量子算法是量子計算應(yīng)用的核心，量子計算的發(fā)展和高效的量子算法的研發(fā)分不開。1992年，英國牛津大學(xué)教授Deutsch和劍橋大學(xué)

教授RichardJozsa合作提出的D-J量子算法，是人類歷史上首個利用量子特性設(shè)計出來的算法，拉開了量子算法的時代大幕； 1994年,美國數(shù)學(xué)家PeterShor發(fā)現(xiàn)了利用量子計算機(jī)快速分解大整數(shù)的算法,這種算法既解決了分解問題又解決了離散對數(shù)問題；1996年,LovGrover發(fā)明了量子搜索算法，能夠?qū)崿F(xiàn)搜索算法的平方加速，該算法被公認(rèn)為繼Shor算法后的第二大量子算法。除了這些早期的著名算法之外，還有其他算法于2000年以后被相繼提出，如2009年的HHL線性方程組求解算法、2013年的變分量子特征值求解VQE算法＞2014年的組合優(yōu)化QAOA算法，這些都一次又一次地證明了量子計算的潛力，推動著量子計算技術(shù)研發(fā)進(jìn)程的不斷加快。目前，全世界的科學(xué)家已經(jīng)提出了眾多的量子算法⑺，這些算法相對于經(jīng)典算法有著不同的加速效果。3.2.2量子算法應(yīng)用量子算法被提出后，很快就有人開始探索這些算法在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。其中，量子化學(xué)和量子人工智能是兩個比較熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。在量子化學(xué)軟件方面，早在2017年10月Google就推出了OpenFermion工具⑹，可以支持對任意分子構(gòu)型的輸入產(chǎn)生模擬該分

子的量子程序；2019年6月，本源量子推出的ChemiQ是業(yè)界首個可應(yīng)用于量子計算機(jī)的量子化學(xué)應(yīng)用軟件；2019年9月，華為推出的HiQFermion軟件包在華為云上提供了一站式的量子化學(xué)模擬解決方案。在量子人工智能軟件方面，IBM推出了量子支持向量機(jī)，Artiste公司推出了Quantum-Fog、QuantumEdward等系統(tǒng)，可支持不同場景下的量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型。本源量子在 2019年年初推出了國內(nèi)第一款基于經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)的一種可高效連接機(jī)器學(xué)習(xí)和量子算法的量子機(jī)器學(xué)習(xí)框架VQNete］，可滿足構(gòu)建QAOA、VQE、量子分類器和量子線路學(xué)習(xí)算法等常見類型的量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。 2020年3月，谷歌推出了集成許多量子算法和邏輯的TensorFlowQuantum（TFQ）量子機(jī)器學(xué)習(xí)庫［10］，可用于快速設(shè)計量子與經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)混合模型的原型，并提供與現(xiàn)有TensorFlowAPI兼容的量子計算原函數(shù)以及高性能量子線路模擬器。2020年5月，百度發(fā)布了量子機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)工具PaddleQuantum量槳，提供了對量子機(jī)器學(xué)習(xí)的支持，這也是國內(nèi)首次在深度學(xué)習(xí)平臺引入量子機(jī)器學(xué)習(xí)工具。雖然量子應(yīng)用軟件已經(jīng)有了不少開發(fā)實(shí)例，但量子應(yīng)用所依賴的量子算法，也依然需要更多地在量子計算機(jī)中進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行并檢驗(yàn)效

果。在當(dāng)前含噪聲中型量子技術(shù)時代的量子計算機(jī)上⑷，已經(jīng)可以對小規(guī)模的量子算法進(jìn)行演示和驗(yàn)證，但是要把這些量子算法應(yīng)用到實(shí)際中去，仍然需要量子軟件和量子硬件技術(shù)的共同進(jìn)步；反之，量子算法的演進(jìn)和量子應(yīng)用的落地，也將深刻影響量子計算技術(shù)的發(fā)展。3.3開發(fā)層軟件量子軟件系統(tǒng)中的開發(fā)層軟件，提供了研究量子算法、開發(fā)量子應(yīng)用的工具鏈體系，包含了眾多量子編程語言和量子軟件開發(fā)工具 .I］。開發(fā)層軟件是在基礎(chǔ)層軟件和應(yīng)用層軟件之間，提供應(yīng)用軟件設(shè)計、開發(fā)、測試、評估、運(yùn)行檢測等輔助功能的軟件，有助于提高量子軟件的生產(chǎn)率，保證量子軟件的正確性、可靠性和維護(hù)性。3.3.1開發(fā)層軟件的種類開發(fā)層軟件是最豐富多樣的，同時由于目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，基本上每個量子計算機(jī)研發(fā)公司或機(jī)構(gòu)都有自己的量子開發(fā)工具，導(dǎo)致用戶在選擇開發(fā)工具時有時也會產(chǎn)生困擾?？偟膩碚f，這一層面的工具大體可以被分成3類，即量子語言、量子編程框架以及量子中間表示,

雖然這些工具總體上都可以被稱作“量子編程語言”，但是實(shí)際上是3種不同層次的開發(fā)工具（見圖3）。圖3量子程序的編譯過程和開發(fā)工具分類（1）量子語言量子語言實(shí)現(xiàn)了量子專用的語法，構(gòu)成獨(dú)立、全新的程序語言，可以用來編寫運(yùn)行在量子計算機(jī)中的量子算法和程序，常用的量子語言有QCL、Q#以及QRunes等。量子語言直接體現(xiàn)了量子計算技術(shù)中特有的量子特性，也原生支持量子算法中常用的操作，同時還可以支持量子和經(jīng)典的混合編程，而這些特性在經(jīng)典程序語言里面是沒有的。當(dāng)然，作為全新的程序語言，量子語言對于開發(fā)者來說通常有較高的學(xué)習(xí)成本。但是，由于量子語言從誕生開始就注重于充分利用和發(fā)揮量子計算的優(yōu)勢，這對于未來大規(guī)模量子應(yīng)用開發(fā)是有利的，也是長

期量子計算開發(fā)工具的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段，量子語言往往會被編譯到一種量子編程框架上進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)量子和經(jīng)典混合計算的任務(wù)。（2）量子編程框架量子編程框架則更著眼于當(dāng)前技術(shù)條件下量子程序的快速開發(fā)。量子編程框架通常以傳統(tǒng)編程語言為宿主語言，在上面添加描述量子計算體系的變量、函數(shù)、對象等元素，然后通過對這些元素的程序處理，實(shí)現(xiàn)量子算法并開發(fā)出量子軟件。量子編程框架中也常常包含了常用量子算法軟件庫，方便量子程序的高效開發(fā)。同時，由于宿主語言的存在，量子編程框架技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)量子和經(jīng)典的混合編程。常用的量子編程框架包括QPanda、QDK、Cirq、Qiskit、ProjectQ、HiQ以及Forest等。由于量子編程框架是在經(jīng)典宿主程序語言下引入量子計算的元素和概念，把量子芯片看作一個特殊的設(shè)備或?qū)ο?，因此這對于開發(fā)者來說也是相對熟悉的開發(fā)范式。量子編程框架開發(fā)的程序經(jīng)過編譯后，其中經(jīng)典程序代碼部分轉(zhuǎn)化成機(jī)器指令并后續(xù)在經(jīng)典處理器上執(zhí)行，而描述量子算法的量子線路代碼部分則通常轉(zhuǎn)化為量子中間表示，并后續(xù)發(fā)送給量子芯片控制系統(tǒng)處理。

(3)量子中間表示量子中間表示只包含分離之后的量子經(jīng)典混合代碼中的量子線路代碼部分，提供了統(tǒng)一的表示量子算法程序數(shù)據(jù)的方式，描述了量子邏輯門等低層操作以及操作的時序，并且是直接和量子硬件對接的。量子中間表示由更高級的描述量子算法的語言轉(zhuǎn)化而來 [12]但是更面向于硬件層，也更容易讓編譯器去分析和優(yōu)化。量子中間表示類似經(jīng)典計算機(jī)中的匯編語言或者指令集結(jié)構(gòu)，但通常并不是機(jī)器指令。目前，常用的量子中間表示有OpenQASM、OriginIR、Quil以及Blackbird等。量子中間表示的處理過程需要把程序中量子比特往量子芯片中量子比特的實(shí)際位置映射，并且根據(jù)量子程序產(chǎn)生量子邏輯門控制序列，最終通過量子測控硬件驅(qū)動量子芯片的運(yùn)行。3.3.2量子虛擬機(jī)對當(dāng)前量子程序的開發(fā)而言，量子虛擬機(jī)也是很重要的工具，它利用經(jīng)典計算機(jī)去模擬量子計算機(jī)的運(yùn)行，執(zhí)行量子程序并給出運(yùn)行結(jié)果。量子虛擬機(jī)提供了對量子算法和量子程序進(jìn)行分析和調(diào)試的便捷工具，同時也有助于驗(yàn)證量子硬件的正確性，對于當(dāng)前量子計算技術(shù)的軟件和硬件的研發(fā)都非常有幫助。量子編程框架中通常都會包含量

子虛擬機(jī)，同時量子虛擬機(jī)也可以不依賴于其他軟件而獨(dú)立存在，并廣泛應(yīng)用于量子云系統(tǒng)中。此外，本源量子、 Atos都開發(fā)了量子學(xué)習(xí)機(jī)產(chǎn)品，量子學(xué)習(xí)機(jī)本質(zhì)上也是一種量子虛擬機(jī)，同時還附加了更多的量子計算技術(shù)教育和培訓(xùn)等功能。3.4基礎(chǔ)層軟件量子軟件系統(tǒng)中的基礎(chǔ)層軟件，主要作用是實(shí)現(xiàn)量子算法的運(yùn)行，同時提供對量子芯片運(yùn)行維護(hù)服務(wù)的支持。這一層面的軟件是和量子硬件緊密相關(guān)的，也是量子計算機(jī)運(yùn)行所需要的核心軟件。在這一層軟件里的經(jīng)典信號和量子信號的轉(zhuǎn)換界面上，所有的指令和數(shù)據(jù)都是經(jīng)典的，即便是量子邏輯門操作指令也是以經(jīng)典數(shù)據(jù)的形式存在；而在這個界面之下，所有指令和數(shù)據(jù)都是面向量子的，表示為驅(qū)動量子芯片的各種調(diào)控信號和測量信號。經(jīng)典信號和量子信號轉(zhuǎn)換的過程，由量子測控硬件來實(shí)現(xiàn)。3.4.1量子測控硬件在超導(dǎo)量子計算機(jī)中，量子比特由量子芯片上的超導(dǎo)約瑟夫森節(jié)振蕩電路實(shí)現(xiàn)，也稱為超導(dǎo)量子比特。對于超導(dǎo)量子比特的控制，是

通過微波信號來實(shí)現(xiàn)的。在超導(dǎo)量子比特上施加的量子邏輯門操作,對應(yīng)于耦合到超導(dǎo)電路中的特定頻率、相位以及波形的微波信號。這些微波信號是由量子線路程序編譯后產(chǎn)生的量子中間表示控制量子測控硬件產(chǎn)生，并通過微波線纜傳輸?shù)搅孔有酒希鸪瑢?dǎo)量子比特的響應(yīng)并產(chǎn)生量子態(tài)的受控幺正演化，從而實(shí)現(xiàn)量子程序的執(zhí)行。量子測控硬件需要通過測控軟件的控制和驅(qū)動才能更好地完成工作，這些測控軟件運(yùn)行在經(jīng)典的宿主計算機(jī)之中，也屬于量子計算機(jī)基礎(chǔ)層軟件的范疇之內(nèi)。3.4.2量子測控軟件目前，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)有了一些商業(yè)化或者自研的測控軟件系統(tǒng)。2016年，蘇黎世儀器公司開始量子測控技術(shù)的研究，隨后推出量子測控軟件LabOne,提供了一個獨(dú)立于儀器控制并包含成熟的測量方法的平臺；2018年，是德科技開發(fā)了一款HVI硬件虛擬儀器系統(tǒng)，具備優(yōu)異的擴(kuò)展性能，是業(yè)內(nèi)第一個專門為量子計算設(shè)計的商用量子計算機(jī)操控系統(tǒng)；同樣在2018年，本源量子自主研發(fā)了國內(nèi)首臺量子測控一體機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了8比特超導(dǎo)量子芯片的控制與應(yīng)用，并基于該設(shè)備開發(fā)了配套的量子測控軟件PyQCat，用于提高測試速度，同時支持更

高效率的量子反饋功能；2019年，谷歌完成了名為Optimus的量子芯片自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)的研發(fā)，這個系統(tǒng)也被用于實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的演示和試驗(yàn)。Optimus量子測控軟件借助快速精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析能力，能夠批量完成量子邏輯門的多重校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)量子測控的智能化，同時不間斷的自動化工作能夠充分發(fā)揮量子芯片的算力優(yōu)勢。量子測控軟件，可以看作是量子計算機(jī)操作系統(tǒng)的雛形，但其距離成熟的量子計算機(jī)操作系統(tǒng)仍有很長的發(fā)展路程。比如量子糾錯的支持、物理比特和邏輯比特的映射、虛擬層的支持、更高效的量子芯片校準(zhǔn)等功能，都需要隨著量子芯片比特數(shù)目的增加而進(jìn)一步拓展測控軟件的能力。4量子云4.1量子云簡介量子計算機(jī)目前還是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，維護(hù)整個量子計算機(jī)的正常運(yùn)行不但需要眾多的儀器設(shè)備，也需要專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊來實(shí)施，這對于普通用戶來說是不具備條件的。這些堪稱苛刻的極具挑戰(zhàn)性的量

子計算機(jī)維護(hù)和運(yùn)行的條件，在短期內(nèi)還沒有辦法得到滿足，因此基于云的量子計算或者稱為量子云成了普通用戶使用量子計算機(jī)的一個最佳的選擇［13-14］量子云的核心概念就是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，通過網(wǎng)絡(luò)提供量子云計算服務(wù)，讓每一個使用互聯(lián)網(wǎng)的人都可以使用量子云上的量子計算資源，這也是目前國際上提供量子計算應(yīng)用服務(wù)的主流方式。4.2量子云的基本構(gòu)架量子云系統(tǒng)的典型構(gòu)架，通常包括量子計算機(jī)系統(tǒng)、量子虛擬機(jī)系統(tǒng)以及云服務(wù)器等組成部分，并在這些硬件基礎(chǔ)上提供豐富的量子計算應(yīng)用與服務(wù)（見圖4）。本地出戶HI慟予虛擬機(jī)累統(tǒng)wfil篦機(jī)系境遠(yuǎn)程用戶4||>|_1_心斤堆本地出戶HI慟予虛擬機(jī)累統(tǒng)wfil篦機(jī)系境遠(yuǎn)程用戶4||>|_1_心斤堆r測控系統(tǒng)杜產(chǎn)計算梓制主機(jī)圖4量子云的基本構(gòu)架量子計算機(jī)系統(tǒng)是量子云系統(tǒng)的核心組成部分，以超導(dǎo)量子計算機(jī)為例，它包括量子芯片、量子測控系統(tǒng)以及量子計算控制主機(jī)。量子程序可以在量子計算控制主機(jī)上運(yùn)行，其中的量子線路代碼部分通過編譯后變成量子中間表示，然后傳輸給量子測控系統(tǒng)。量子測控系統(tǒng)自身帶有處理器，可以處理基于量子中間表示的控制指令，并且依據(jù)控制指令產(chǎn)生驅(qū)動量子芯片的微波信號。微波信號通過高頻線路輸送到處于稀釋制冷機(jī)中的量子芯片上，最終實(shí)現(xiàn)對量子芯片的控制。在這個過程中，用戶可以直接通過量子計算控制主機(jī)來使用量子計算機(jī)系統(tǒng)，這就是量子計算機(jī)的本地使用模式。量子計算機(jī)系統(tǒng)和量子云服務(wù)器相連就構(gòu)成了量子云系統(tǒng)。量子云服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)用戶提供量子計算機(jī)的訪問權(quán)限以及所需要的基礎(chǔ)軟件支持服務(wù)，同時也可以提供量子計算機(jī)的應(yīng)用開發(fā)工具，包括編程框架、編譯器以及部署在服務(wù)器上的量子虛擬機(jī)等軟件系統(tǒng)。此外，量子云系統(tǒng)還可以提供很多其他的量子計算技術(shù)相關(guān)服務(wù)，包括量子教育、培訓(xùn)、教程等，給量子計算技術(shù)的普及和推廣帶來便利。

用戶開發(fā)的量子程序使用量子云服務(wù)的途徑主要有兩種，一種是通過API訪問量子云：本地編譯的使用量子編程框架開發(fā)的量子程序在運(yùn)行過程中量子線路代碼部分會通過API發(fā)送到量子云服務(wù)器上去，通過調(diào)度分配給量子計算機(jī)或者量子虛擬機(jī)執(zhí)行， 并且返回運(yùn)算結(jié)果，供量子程序進(jìn)行后續(xù)處理；另一種是直接在量子云系統(tǒng)平臺上進(jìn)行量子程序的開發(fā)：可以選擇使用量子編程框架編程，或者圖形化量子線路編程，這樣程序的編譯和執(zhí)行都在云端完成，最終將結(jié)果傳輸回本地。4.3量子云的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用歐美企業(yè)的量子云產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用都走在了領(lǐng)先的位置。 2016年5月，IBM推出了IBMQExperienee服務(wù)，以5比特超導(dǎo)量子計算機(jī)和配套的量子虛擬機(jī)開啟了量子計算機(jī)面向公眾開放的序幕； 2017年6月，Rigetti推出了全棧式量子計算服務(wù)，使用API接入量子計算機(jī)，并于2018年9月正式引入量子云服務(wù)，提供Forest2.0量子編程框架的支持；2018年9月，QuTech推出了歐洲首個量子云平臺QuantumInspire，提供QX量子虛擬機(jī)，并于2020年4月上線2比特半導(dǎo)體量子計算機(jī)和5比特超導(dǎo)量子計算機(jī)；2019年11月，微軟宣布開始

為特定客戶提供對Azure云中量子計算機(jī)的訪問，將公司先前發(fā)布的量子編程工具與其云服務(wù)相集成，使開發(fā)人員可以在量子虛擬機(jī)或者Honeywell、lonQ以及QCI等合作伙伴的量子計算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行量子代碼；2019年12月，亞馬遜推出量子云平臺Braket，與D-Wave、lonQ和Rigetti三家量子計算公司合作，通過AWS云提供對這三家公司的量子計算系統(tǒng)的訪問，并提供一種統(tǒng)一的方式來使用這些合作伙伴的量子計算機(jī)。2017年10月11日是國內(nèi)量子云發(fā)展的高光時刻，這一天有3個量子云平臺同時發(fā)布。中國科學(xué)院阿里巴巴量子計算實(shí)驗(yàn)室提供10位超導(dǎo)量子計算機(jī)和量子虛擬機(jī)接入；本源量子-中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊發(fā)布本源量子云平臺，提供超導(dǎo)量子計算機(jī)、半導(dǎo)體量子計算機(jī)以及最高64比特量子虛擬機(jī)接入，并持續(xù)更新了包含多種振幅以及含噪聲的多功能虛擬機(jī)，拓展了量子技術(shù)相關(guān)的教育、培訓(xùn)資源等內(nèi)容；清華大學(xué)NMRCloudQ團(tuán)隊推出核磁共振量子計算機(jī)以及量子虛擬機(jī)接入。此外，在2018年10月，華為發(fā)布量子云服務(wù)平臺HiQ，推出基于華為云經(jīng)典算力構(gòu)建的量子虛擬機(jī)以及量子編程框架。

量子計算機(jī)通過量子云對公眾的開放，極大促進(jìn)了量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)與知識的普及，推動了量子計算產(chǎn)業(yè)整個生態(tài)的建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計，迄今已有約22.5萬人嘗試在IBM云服務(wù)上進(jìn)行量子計算機(jī)編程，也有超過100家公司正在為其IBMQ高級服務(wù)付費(fèi)，該服務(wù)可以訪問IBM計算中心的量子計算機(jī)并且可以獲得專家咨詢［15。目前，IBM量子云平臺中已經(jīng)有15臺量子計算機(jī)，并且也計劃通過和當(dāng)?shù)卣献?，在德國和日本部署量子計算機(jī)。在量子云服務(wù)的競爭中，IBM已經(jīng)處于領(lǐng)先地位。5產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析量子計算技術(shù)的核心要素是量子物理的原理帶來的量子計算巨大的優(yōu)勢，同時操控量子系統(tǒng)的難度也帶來了技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。自2010年以后，隨著量子計算機(jī)硬件研發(fā)的進(jìn)展，量子軟件也迎來了發(fā)展的機(jī)遇。經(jīng)過眾多科技巨頭以及創(chuàng)業(yè)公司多年以來持續(xù)的研發(fā)投入，目前市場上已經(jīng)有了豐富的量子語言、量子軟件開發(fā)工具，適合不同的量子計算硬件體系，并且形成了初步的量子軟件生態(tài)體系。在量子

軟件領(lǐng)域布局比較全面的部分量子計算企業(yè)的量子軟件系統(tǒng)對比參見表1量子計算企業(yè)量子軟件系統(tǒng)對比IBMXanndiixwQiskiiCirq(.Pyllwn)SlniwhenyFlddl(Pvtlwn1ForestiPython)limkcrSDKHvQ(Pythcm>。恤血(PylhcmVCi)聚子中間表示全扼軸QASM上振幅BladtbildQuil32ii全M42OriginlR全掘啊f4-晝子虔擬軌全振命棋擬險羽fti林i斡也部井?dāng)z福72Ui單按期21MJ2*子優(yōu)學(xué)應(yīng)用Op^nFvrmi-onHiKJremnionCbemiQ量于機(jī)髀學(xué)目rFt特向晴機(jī)TctisluFKsw]3eniiy].ane：VQNet81子云平昔A/lireIEJM醫(yī)ForcsiBnkct華溝云*慷応子云QujjlIuijj由于目前量子軟件和量子云仍處于產(chǎn)業(yè)化的早期階段，量子計算機(jī)市場尚未出現(xiàn)主流軟件技術(shù)主導(dǎo)的局面，這間接導(dǎo)致了量子計算機(jī)軟件層面沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。雖然廠商之間的競爭在所難免，但從長遠(yuǎn)來看，未來量子計算的發(fā)展一定是開放、互通、融合的，這一點(diǎn)在量子計算軟件系統(tǒng)方