上周，一台基于超导量子计算方案的“祖冲之号”正式上线量子计算云平台，并且面向全球用户开放。
据悉，“祖冲之号”量子计算云平台是由中国科学院量子信息与量子科技创新研究院等多个单位合作研发的，目前可供用户使用高达176个量子比特来进行在线测试，并且可以执行用户自行编程的量子算法。这标志着，我国的量子计算云平台不仅刷新了超导量子计算机的比特数纪录，而且接入的新一代量子计算机的设计指标也瞄准了国际先进水平。
超导量子计算机（图片来源：新华社）
量子计算云平台是将量子计算技术和互联网云平台相结合的全新计算平台，它向公众提供了可以远程访问和使用量子技术资源和服务的平台，包括量子比特（qubit）的选娶量子逻辑门的操作以及执行相应的量子算法等。
与传统的云计算平台类似，量子计算云平台可以将量子计算资源和服务同时提供给多个用户，从而提高资源的利用率，并且加速了量子计算技术的发展和应用，让更多的人可以参与到量子计算的研究和开发中。
那么，量子计算云平台到底有什么神奇之处？科学家们为什么要争相研究它呢？
科幻照进现实：在家就能完成量子计算
每当我们谈及量子计算的时候，大家脑海中浮现的往往是科幻小说中的情景，而这也进一步激发了大家对于量子计算的好奇。其实，量子计算听上去之所以神秘，主要是因为它涉及到一些与经典计算完全不同的概念和原理，具有许多令人费解和令人惊奇的特性。
在经典计算中，计算机采用比特来表示0态或者1态，从而完成数据的分析和运算。而量子计算则采用量子比特来表示0态和1态的叠加，这种叠加态赋予了量子计算机处理信息的独特能力。
举个例子，当有2个量子比特时，量子计算机可以同时处理|00〉、|01〉、|10〉和|11〉这四种可能性，而经典计算机则需要逐个考虑每种状态。这就意味着，随着量子比特数目N的增加，量子计算机的运算能力将以2的N次方的指数形式迅速增长，从而展现出经典计算难以比拟的超强算力。
量子计算概念图（图片来源：veer图库）
然而，量子计算的发展仍旧处于从实验室走向工业界的起步阶段，它们大多设备复杂、成本高昂，并且需要专业的研究人员悉心维护，因此难以在短时间内走进千家万户。即使是采用目前比较主流的物理方案（比如超导量子比特、光量子比特以及囚禁离子等），量子计算机的量子比特数目仍然十分有限，只能在某些特定的算法问题上展现出自身的优势。
因此，这时候迫切需要一种沟通的桥梁，将“实验室-工业界-普通用户”联系在一起，从而使三方共同参与到量子计算的研究和应用中来，加速量子计算技术的发展。
幸运的是，基于互联网云平台的量子计算提供了这种沟通的桥梁，从而打通了“产学研”这一道路，它的出现就像上世纪90年代兴起的万维网（World Wide Web）一样，让无数普通用户参与其中，从而构建出更加活跃的社区生态，并且逐步探索量子计算的潜在应用。
万维网示意图（图片来源：veer图库）
有啥用？有大用
量子计算云平台的出现为研究人员和普通用户和提供了便利，使得用户能够利用量子计算的潜力，探索新的应用和算法。下面就来看看它有哪些用途吧！
量子计算云平台可以用于量子模拟。云平台可以用于模拟物理系统、分子结构等复杂系统的行为。这对于研究新药物设计、材料科学和化学反应等领域具有重要意义。例如，通过模拟分子的相互作用，科学家可以更快速地开发新型药物，以及优化材料的性能。
它还可以用来优化问题。云平台可以解决一些经典计算中非常耗时的优化问题，例如旅行商问题和物流优化。通过利用量子算法的优势，可以提供更快速、更高效的解决方案，从而改善日常生活中的路线规划、资源分配等问题。
除此之外，它还可以用于加密与提高安全性。量子计算在密码学领域具有潜在的影响。云平台可以用于研究和开发抵御量子计算攻击的加密算法。这有助于提高网络通信和数据传输的安全性，保护个人隐私和商业机密。
加密示意图（图片来源：veer图库）
对于大众而言，虽然大家可能没有丰富的专业技能和经验，却可以通过云平台访问量子计算资源，享受相关算法和应用的好处。云平台为用户提供了一个简化的界面和工具，使得用户能够利用量子计算的潜力，无需自己构建和维护量子计算机。
量子计算云平台的正确打开方式
量子计算云平台既然这么好，我们普通用户该如何才能使用呢？与访问云端的服务器类似，量子计算云平台的使用也需要我们采用个人设备终端，利用互联网来远程访问量子计算机器。也就是说，普通用户只需要在个人电脑上用鼠标轻轻一点，就可以访问和使用传说中神秘的量子计算机，从而完成特定的量子算法任务。
云计算示意图（图片来源：veer图库）
当然，具体的使用方式会随着不同的量子计算云平台的服务商不同而有所差异，这就像我们使用电脑的时候选取不同的操作系统一样。一般而言，量子计算云平台的使用方式可以概括为以下几个步骤：
1. 注册和登陆
2. 选择计算资源，并创建任务
根据所需的算法任务的不同，选择所需的量子计算资源，包括量子比特数目、量子门操作的种类和参数等。通常情况下，量子比特的数目越多，可以运行更加复杂的算法任务，但是错误率也会随之上升。因此，一些平台会提供不同的量子计算资源的选择，从而满足不同的任务需求；
3. 编写量子算法，并执行任务
普通用户可以使用平台提供的开发工具来编写量子算法，平台通常也会提供示例代码和算法案例，以帮助大家入门和理解如何使用量子计算云平台。一旦编写完成量子算法后，就可以在平台提供的交互式界面上，直接完成任务的提交和执行；
4. 任务进展和结果获取
为了查看任务的执行情况，量子计算云平台还可以提供实时的任务监视工具来跟踪任务的进度，从而帮助大家更好地理解任务的执行过程。当任务完成后，我们就可以从平台上获取计算结果，这通常包括量子比特的测量结果、计算的概率分布以及相应的优化结果等。
因此，量子计算云平台的出现为普通用户提供了访问和利用量子计算资源的机会，推动了量子计算技术的发展和应用。普通用户也无需购买和维护昂贵的量子计算设备，只需要在简单的培训后，就可以访问和使用量子计算资源来执行复杂的量子计算任务。
快来试试不同的“款式”
目前，市场上已经存在一些主要的量子计算云平台了，它们分别是由国内外的科技公司主导搭建的，并且已经拥有了各自独特的量子计算的社区生态。以下是其中一些知名的量子云计算平台，以及它们各自的独特优势：
IBM Q Experience：早在2017年，这款面向公众免费试用的量子计算云服务就出现了，它提供了整套的量子计算开发工具，能够让用户自由地编写和执行所需算法任务。同时，用户也可以通过在线云平台，或者通过python语言下的qiskit进行访问和使用量子计算资源。
IBM Q Experience（图片来源：IBM Research/CC BY-ND 2.0）
Azure Quantum：在2019年，一套全开放式的量子计算云平台Azure Quantum，也出现了。该平台可以帮助用户访问并使用来自三家不同厂商的量子硬件，且支持使用开源量子开发套件（QDK）、Azure经典计算机以及一款量子模拟器，从而适配用户的不同任务需求。
Amazon Braket：在2019年末，这款量子计算云平台出现了，并且支持使用多种编程语言（如Python和Qiskit）进行量子算法开发和测试。除此之外，它还提供了三个著名的量子后端设备 IonQ，Rigetti 和 D-Wave 的访问端口，它们分别代表了量子计算的三种物理实现方式，分别是离子阱，超导量子和退火量子计算。
Amazon Braket（图片来源：Amazon）
除了国外的多种“款式”外，国内也上线了多种量子计算云平台，也有越来越多的研究机构加入了对云平台的研发中。上周，在2023年中关村论坛展览（科博会）上，北京量子信息科学研究院、中国科学院物理所和清华大学面向公众展示了新一代名为“Quafu”的量子计算云平台，吸引了国内外的广泛关注。
（图片来源：Quafu官方网站）
结语
量子计算云平台是将量子计算机“搬进”千家万户的网络平台，相信随着技术的进步和量子计算机的发展，未来还可能出现更多的量子计算云平台可供普通用户进行选择，未来的云平台也将具有更强大的功能。让我们拭目以待吧！
出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
