譯者 | 晶顏

審校 | 重樓

量子云計算融合了量子力學和云技術來解決經典系統無法處理的復雜問題。

量子云計算，作為量子技術與云技術深度融合的產物，是一種創新的計算能力模型。它具備潛在解決復雜問題的能力，這些問題遠遠超越了傳統計算機的處理范疇。

量子云計算借助量子干涉、量子糾纏和量子疊加等量子力學過程，賦予云計算前所未有的強大能力。這使得企業和研究人員即便在缺乏內部量子基礎設施的情況下，也能夠執行量子算法。

量子計算原理

量子計算，本質上是對量子力學過程的利用。與傳統計算使用雙值（0和1）的比特不同，量子計算采用量子位。量子位能夠利用0和1混合的量子狀態，這一特性極大地拓展了計算的狀態空間。

量子疊加使得量子位可以同時處于多種狀態，而量子糾纏能夠維持量子比特之間的相關狀態，且不受距離限制，不僅能在即時水平確定狀態，還為并行計算提供了可能。量子干涉則用于提升計算精度，通過增強構造概率和破壞概率抵消來實現。

量子計算中的主要數學概念

• 狀態向量（State vectors）——用于表示希爾伯特空間中的量子態。
• 幺正算符（Unitary operators）——表示具有可逆和范數守恒性質的量子門。
• 張量積（Tensor products）——表示具有許多量子位的復合量子系統。
• 測量算子（Measurement operators）——將量子態坍縮為經典態。

一些常見的量子門

• Pauli-X, Y, Z——類似于傳統計算機中的NOT操作和軸旋轉。
• Hadamard (H) ——用于引入疊加狀態。
• CNOT（Controlled-NOT）——允許創建量子糾纏。
• Toffoli和Fredkin Gates——實現多量子位操作。

量子云計算：集成

量子云計算涉及訪問云數據中心的量子處理器。用于描述此類平臺中電路的Qiskit、Cirq和q#軟件框架已經變得非常流行。用戶可以通過云API實現和運行量子算法，進而訪問量子硬件（例如，捕獲離子，超導量子比特）或模擬器。

主要架構特征如下所示：

• 量子處理單元（QPU）——作為在量子位上執行量子操作的硬件模塊，通常由超導電路或捕獲離子制成，需在低溫環境下運行，以確保量子信息守恒，抑制退相干和噪聲。
• 經典控制器——作為量子處理器與傳統計算機系統的接口，負責量子比特的初始化、門操作以及測量操作。
• 糾錯系統——通過實現肖爾代碼（Shor’s Code）和表面代碼（Surface Code）等量子代碼，保障計算完整性和量子信息守恒，抑制退相干和噪聲。
• 混合計算接口——強化量子與傳統處理模塊的高效集成，優化預處理、量子算法處理和后處理輸出值的工作流程。
• 量子模擬器和模擬器——支持在軟件環境中調試和模擬量子算法，借助云訪問高效利用量子處理器，并在模擬運行時最大程度減少量子信息損失。

主流量子云解決方案

IBM Quantum Experience

IBM依托Qiskit平臺，提供全面的量子計算機服務。其量子處理器涵蓋從小型量子模擬器到高性能處理器，如127量子位的Eagle以及未來將推出的超過1000量子位的Condor。IBM聚焦于容錯量子處理器、混合工作流和高可擴展性，其顯著功能包括量子糾錯研究、量子經典算法以及用于實驗和測試的云模擬器。

Google Quantum AI

谷歌憑借其Sycamore芯片實現了量子霸權，計算能力超越傳統水平。谷歌的研究涉及量子處理的尺度方法和糾錯方法。Cirq使程序員能夠在人工智能、量子化學和優化領域開發和執行量子算法。谷歌還與大學合作，推動量子應用取得突破。

Microsoft Azure Quantum

Azure Quantum為拓撲和超導量子比特提供了一個多技術、靈活的平臺。通過微軟的q#語言和量子開發工具包支持高級算法開發。Azure還集成了用于預處理和后處理的經典計算，可以與優化的工作負載協同工作，并傾向于采用容錯硬件以實現大規模應用。

Amazon Braket

亞馬遜提供了一系列靈活的量子計算機平臺架構，包括D-Wave（退火器）、Rigetti（基于柵極模型的平臺）和IonQ（基于捕獲離子的平臺）。Braket支持Python sdk、混合工作流以及與AWS的本地集成。亞馬遜期望通過模擬、基準測試和算法開發工具，實現量子計算在商業和實驗領域的應用。

Rigetti Computing

Rigetti作為開發超導量子比特的先驅，擁有模塊化量子處理器，并在混合計算方面憑借其森林SDK（Forest SDK）及其語言Quil積累了專業技術。其關注量子化學、金融和人工智能等現實生活中的應用場景，致力于多量子位糾纏技術的研究，并將量子位相干性擴展到更大規模、可擴展的實現中。

D-Wave Systems

Wave是量子退火（quantum annealing ）領域的專家，針對組合問題進行了優化。D-Wave的Advantage?平臺擁有超過5000個量子比特，可通過其Leap?量子云服務訪問。D-Wave的用例包括物流、調度和機器學習，主要面向現實優化和算法部署。

IonQ

IonQ運用捕獲離子技術，打造出具有高保真度、長壽命以及高相干時間特性的量子比特。用戶可通過亞馬遜的智能平臺以及微軟的Azure量子平臺對IonQ平臺進行訪問。該平臺聚焦于糾錯計算與具備可擴展性的架構，目前正積極投身于開發擁有數千量子位規模的硬件，以滿足商業應用需求。

Pasqal

Pasqal借助中性原子構建起高連接性的量子位陣列，用于量子模擬和優化計算。Pasqal云產品將材料科學以及能源優化領域作為目標應用場景，著重關注性能提升與可擴展性。

Xanadu

Xanadu致力于構建光子量子處理器，利用基于光的量子比特實現室溫下的計算操作。Xanadu的PennyLane平臺為量子機器學習和量子經典計算提供支持，目標是在人工智能領域實現突破，并應用于量子化學領域。

Honeywell Quantum Solutions

霍尼韋爾（Honeywell）采用捕獲離子量子比特技術，為商用量子系統賦予高保真度和較長的相干時間。霍尼韋爾云產品能夠與傳統系統實現集成，在性能方面主要側重于物流、材料以及制藥等領域。

未來趨勢

云量子計算的未來發展將在很大程度上依賴于量子算法、量子糾錯碼以及容錯量子計算等方面的突破。隨著量子處理器從嘈雜的中等規模量子（NISQ）階段向具備糾錯功能的架構轉變，量子經典混合架構有望在人工智能、優化問題解決以及安全通信協議等領域取得突破性進展。諸如拓撲量子比特和光子量子處理器等未來新興技術，有望打造出噪音更低、性能更優的可擴展架構。

結語

量子云計算代表著計算科學的未來發展方向，其通過運用量子力學過程來攻克傳統方法難以解決的問題。隨著量子算法、量子硬件以及量子經典混合架構不斷取得突破，量子云計算有望徹底變革眾多行業，從密碼學領域起始，逐步拓展至材料科學等多個領域。

盡管當前存在一定限制，但加速開發與研究為量子云計算重新定義技術的未來鋪平了道路。

原文標題：Quantum Cloud Computing: The Future of Cloud Computing Technology，作者：Srinivas Chippagiri