量子计算云平台的架构与发展_张萌.pdf

专题:量子信息技术2023 年第 7 期量子计算云平台的架构与发展张萌王敬赵文玉张海懿(中国信息通信研究院技术与标准研究所,北京 100191)摘要:量子计算机软硬件尚不成熟,环境要求严苛,运维成本高,无法满足个人用户本地部署的要求,而云平台已成为量子计算科普教育、算法开发以及应用创新的试验床。在介绍量子计算云平台国内外发展现状及其服务模式分类的基础上,总结提出通用功能架构模型,进一步分析量子计算云平台发展前景,并针对面临的主要挑战提出未来发展建议。关键词:量子计算;云平台;功能架构中图分类号:O413;TN929.1 文献标志码:A引用格式:张萌,王敬,赵文玉,等.量子计算云平台的架构与发展J.信息通信技术与政策,2023,49(7):27-35.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0040 引言量子计算利用量子态的纠缠、叠加等特性提供一种新的计算范式,有望在特定计算困难问题求解过程中提供指数级加速,是后摩尔时代先进计算有力候选方案之一。目前,量子计算硬件研发存在多条技术路线,其中超导技术路线备受关注,国内外科技企业纷纷布局,离子阱、光量子、硅量子点、中性原子等其他技术路线近年来科研成果也是亮点纷呈1-13。总体而言,量子计算硬件研发还处于前沿探索和开放竞争的状态,尚未达到实用化阶段。同时,基于含噪声的中型量子(Noisy Intermediate Scale Quantum,NISQ)硬件的应用探索也如火如荼地进行,但仍面临“不可能三角”的困局14,即同时具有量子优越性、实用价值以及 NISQ硬件可行性三个条件的“杀手级”应用尚未找到。未来,量子计算产业落地需要同时推动硬件研发和应用探索。考虑到量子计算硬件尚不成熟,并且需要高额的研发、运维成本,为了让更多的研究人员和行业用户参与量子计算硬件、软件、算法和应用的研究,近年来量子计算云平台逐渐成为量子计算算力输出的主要形式。用户依托经典的信息网络基础设施,访问云端的量子计算处理器。用户编写的量子线路或程序通过网络提交给云端的经典服务器进行编译和下发,在真实的量子处理器硬件或量子线路模拟器上运行,运行结果最终反馈给用户,实现运算的闭环运行。目前,国内外许多研究机构和企业陆续发布自己的量子计算云平台,以此推动量子计算产业落地和生态建设已成为业界共识。1 发展现状与分类1.1 国内外发展现状目前,量子计算云平台提供商主要分布在美国、加拿大、欧洲与中国。其中,美国布局量子计算云平台比较早,以 IBM、亚马逊、谷歌、微软为代表的科技公司和以 Rigetti、Strangeworks 等为代表的初创企业先后推出各自的量子计算云平台,对外提供量子计算硬件或量子线路模拟器的云接入,以及相应的编程语言、应用软72|信息通信技术与政策件,并积极构建开源社区和生态体系。随后,加拿大和欧洲各国及地区也相继推出量子计算云平台。欧洲和美国量子计算云平台商业化趋势比较明确,IBM、亚马逊率先推出计费服务模式,付费用户可以获得更高的接入权限和更好的服务体验。我国在量子计算云平台方面起步晚于欧洲和美国,但是近年来多家科技公司、初创企业和研究院所陆续推出自己的量子计算云平台,并且在编程语言、编译框架、应用服务、接入体验等方面进行积极的尝试,有效支撑我国量子计算科学研究、科普推广和应用探索。从数量上看,我国已进入全球第一梯队。我国云平台提供商包括华为、百度等传统科技公司,也包括本源量子计算科技(合肥)股份有限公司(简称“本源量子”)、深圳量旋科技有限公司(简称“量旋科技”)、北京中科弧光量子软件技术有限公司(简称“弧光量子”)等专注于量子计算的初创企业,还包括北京量子信息科学研究院、中国科学院等研究机构。由于基于云的开发运维能力有所差异,国内云平台服务水平也参差不齐,目前主要面向科研用户提供免费的接入服务。1.2 服务模式分类量子计算云平台将量子计算机硬件或量子计算模拟器与经典云计算软件工具、通信设备及 IT 基础设施相结合,为用户提供直观化及实例化的量子计算接入访问与算力服务。量子计算云平台具有如下特点:网络连接,量子计算硬件资源不是部署在本地,用户通过网络接入云端并使用服务;资源共享,量子计算硬件与经典信息与通信技术(Information and Communications Technology,ICT)资源不为某个特定用户专有;弹性、按需的服务,用户按照需求占用和释放资源;服务可测量,服务提供者可按照用户对资源的使用量进行计费。不同的量子计算云平台提供的服务也不尽相同,因此可按照服务模式对其进行分类。按照云平台服务提供的资源所在层次,可以分为量子 基 础 设 施 即 服 务(Quantum Infrastructure as a Service,Q-IaaS)、量子平台即服务(Quantum Platform as a Service,Q-PaaS)和量子软件即服务(Quantum Software as a Service,Q-SaaS)。Q-IaaS 将量子计算机的硬件及配套设施作为服务在量子计算云平台上提供给用户。用户可以调用云平台上的硬件(包括量子计算机、量子计算模拟器、经典服务器、存储器等)而无需对其进行维护,实现低成本的底层开发和科学研究等活动。Q-PaaS 将量子计算相关基础设施和中间件组成的开发平台作为服务在量子计算云平台上提供给用户。用户可以基于量子计算软件开发平台开发量子编程框架和量子算法库,并通过云端服务器连接到不同公司量子计算硬件进行计算。支持单一平台开发或跨平台兼容开发;支持经典-量子混合计算,并自动分配经典计算资源和量子计算资源。Q-SaaS 根据特定行业应用场景和应用需求将打包好的应用服务方案作为服务在量子计算云平台上提供给用户。用户可以依靠量子算力解决特定的实际问题,并且无需全面掌握量子知识和编程能力。按照云平台供应商侧提供服务的模式主要分为两大类:第一类供应商自身参与量子计算硬件的研发,将自研的量子计算机或基于经典算力的量子线路模拟器放在云端,向用户提供云接入服务,典型企业包括IonQ、Xanadu、Rigetti、本源量子等;第二类供应商则凭借其云计算技术与资源,使其云平台可接入其他公司的量子计算硬件或软件系统,为用户提供量子计算服务,典型企业包括 Microsoft、Amazon、Strangeworks 等。此外,还有一些云平台既能接入自研的量子计算硬件,也支持其他厂家硬件资源的接入与调用,比如 IBM 除了自研的多款超导量子计算芯片,还可以调用 AQT、IonQ 的量子计算硬件资源。国内的百度量易伏量子计算云平台也允许接入和调用自研的超导量子计算处理器、中国科学院物理研究所的超导量子计算处理器以及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的离子阱量子计算处理器。按照云平台计费模式可以分为付费型和免费型,付费型又包含即用即付型和按操作付费型,免费型指量子计算云平台提供免费的接入和使用权限。一些云平台也提供部分免费服务,即提供一定的免费次数或免费时长,或云平台中部分资源免费。即用即付型,也称为计时付费,用户按照接入云平台或量子硬件的时长进行计费。按操作付费型是根据基于某一确定后端的操作次数计费的收费模式。2 功能架构研究在对国内外量子计算云平台的分析与梳理的基础上,本文提出了量子计算云平台的功能架构,如图 1 所82专题:量子信息技术2023 年第 7 期示,其中主要功能可划分为服务层、平台层、基础设施层,以及配套的运营管理与安全服务功能等。.服务层Q-SaaS资源管理层.外围设施层供电系统制冷系统隔振系统磁屏蔽系统布线.资源层量子模拟器.经典服务器量子计算云平台外围基础设施经典存储设备经典网络资源管理量子计算机虚拟机经典虚拟主机经典虚拟存储经典虚拟网络虚拟资源物理机管理虚拟机管理存储管理网络管理资源调度应用开发量子金融量子化学.经典物理资源安全接入安全软件安全硬件安全虚拟化安全门户管理服务门户管理门户用户运营管理用户管理计费管理运营分析报表管理监控管理数据安全服务目录服务实例服务管理程序编译量子计算编译器.量子计算开发环境基础设施层Q-IaaS平台层Q-PaaS量子机器学习量子物理资源量子计算机应用接口开发接口硬件接口图 1 量子计算云平台功能框架图2.1 服务层功能服务层主要包括门户管理、服务管理以及应用开发等主要功能。服务层提供用户(或开发者访问)的用户接口(User Interface,UI)。用户可以通过 UI 界面(如浏览器或应用程序)访问量子云服务,输入必要的参数和数据,并获取量子云计算返回的结果。目前,用户使用量子计算云平台的方式可分为两类:一类是本地 编 译、通 过 应 用 程 序 编 程 接 口(Application Programming Interface,API)访问云平台。用户可在本地开发量子程序,并将待执行的量子程序通过 API 远程提交至量子计算云服务器上,云服务器将任务进行调度并分配至量子计算处理器或量子线路模拟器后端执行程序,程序运行结束后通过 API 返回结果。另一类是直接在云平台上进行开发实践。用户可直接在云平台上进行量子程序开发,一般可选择使用量子编程框架编程或图形化的量子线路编程,直接在云平台上获得执行结果。此外,服务层还提供应用开发的功能。Q-SaaS 平台可提供拥有图形用户接口(Graphical User Interface,GUI)的量子应用,用户只需在线导入数据或填写必要的参数,即可运行程序并获得结果,而无需掌握量子计算编程能力。同时,也可提供算法 API 以及软件开发工具包(Software Development Kit,SDK)允许用户根据自身需求或特殊应用场景自行开发量子应用。服务层通过内部应用接口与平台层连接。2.2 平台层功能平台层主要完成程序开发和编译功能。量子计算程序主要通过量子编程语言进行开发。量子计算程序经过编译后转化成量子计算硬件可以识别的机器语言(比如特定波形的测控信号)输入到基础设施层。量子编程语言可分为独立式和嵌入式两种。独立92|信息通信技术与政策式编程语言是为量子计算定制开发的编程语言。量子计算和经典计算从计算原理上看有巨大差异,比如量子比特可以处于|0和|1的叠加态,量子门操作通过幺正变换实现。因此,有必要结合量子计算的特点开发适 用 于 量 子 比 特 基 本 操 作 的 编 程 语 言,比 如OpenQASM、Q#、Quilt、isQ 等。这类语言与经典计算中的汇编语言(或指令集)作用相似。嵌入式编程语言是指依赖于其他编程框架的编程语言,比如 Qiskit、Cirq、ProjectQ、QPanda 等都是基于 Python(或 C/C+语言)开发的库,可基于原始编程语言(Python 或C/C+)的基本语法规则进行程序开发,用户无需学习新的语法规则,并且易于实现复杂逻辑和量子-经典混合编程。编译功能主要实现高级编程语言到机器语言的转换。量子程序的编译主要包括量子线路的分解、优化和映射等功能。分解功能是将量子程序中的复杂算子分解成量子计算硬件支持的单比特逻辑门和多比特逻辑门。优化是将分解后的量子线路进行优化组合,利用尽可能少的量子逻辑门实现算法功能。NISQ 时代量子比特寿命较短,同时噪声的影响也不可避免。因此,每增加一个逻辑门就需要消耗一部分量子比特寿命,并且引入一定噪声。优化的过程通过对量子比特门进行优化组合或者引入辅助比特来减小量子线路的深度,保证较高质量的运算结果输出。优化后的量子线路最终映射到量子芯片中的量子比特上。对全连通的量子芯片,可以实现任意多比特逻辑门的映射,即任意两个或多个量子比特之间都能实现相互作用。但并不是所有的量子计算硬件结构都能支持全连通,比如目前比较成熟的超导量子芯片大多采用一维线型或二维阵列排列,每个量子比特只能与邻近的数个量子比特连接。因此,分解、优化后的量子线路需要尽可能映射到有连接的量子比特上。如果一个双比特逻辑门作用在无连接的两个量子比特上,需要加入一系列交换(SWAP)门将量子态最