量子計(jì)算被認(rèn)為是下一代計(jì)算技術(shù)的心臟，同時(shí)也是引領(lǐng)新一輪量子革命的代表性技術(shù)。作為芯片尺寸突破經(jīng)典物理極限的邏輯必然，同時(shí)也是后摩爾時(shí)代標(biāo)志性的技術(shù)，近些年量子計(jì)算獲得了巨大的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外科技巨頭也紛紛入局參與或投資量子計(jì)算。
近日，國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心、工信部電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)中心在第二屆兩化融合暨數(shù)字化轉(zhuǎn)型大會(huì)上發(fā)布了《中國(guó)人工智能高價(jià)值專利及創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力分析報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱“報(bào)告”）。報(bào)告不僅從專利數(shù)量維度統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，還從“創(chuàng)造力”、“保護(hù)力”、“運(yùn)用力”、“競(jìng)爭(zhēng)力”、“影響力”五大指標(biāo)維度構(gòu)建了高價(jià)值專利評(píng)價(jià)模型，以此對(duì)國(guó)內(nèi)創(chuàng)新主體在量子計(jì)算領(lǐng)域的高價(jià)值專利及創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，包括IBM、谷歌等國(guó)外公司憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠麅?chǔ)備多，專利質(zhì)量相對(duì)較高。值得特別注意的是，隨著中國(guó)量子計(jì)算步入全球第一梯隊(duì)，中國(guó)公司的量子專利實(shí)力也表現(xiàn)亮眼。在量子計(jì)算全球高價(jià)值專利及創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力排名中，百度緊隨IBM、谷歌之后，位列第三。
連接量子軟硬件橋梁——量脈
在量子計(jì)算中，量子任務(wù)通常由量子門組成的量子電路來(lái)刻畫。然而，當(dāng)量子任務(wù)在量子硬件上運(yùn)行時(shí)，則需要將量子電路“翻譯”成量子硬件可以“聽得懂”的脈沖指令。此時(shí)“翻譯”的質(zhì)量會(huì)直接影響到整個(gè)量子計(jì)算的性能。為此，百度研究院量子計(jì)算研究所研發(fā)了用于量子計(jì)算的“翻譯官”——量脈。使用量脈，用戶可通過(guò)云服務(wù)和開源 SDK 獲得高效和專業(yè)的量子控制解決方案，將量子任務(wù)編譯成高保真度的脈沖序列。目前，量脈同時(shí)支持超導(dǎo)電路、離子阱、核磁共振業(yè)界三種不同類型的量子硬件。值得一提的是，量脈的脈沖調(diào)度技術(shù)最近在某科研院所的超導(dǎo)量子計(jì)算硬件上得到實(shí)踐和落地，發(fā)揮出有效的量子控制能力并展現(xiàn)出性能優(yōu)勢(shì)。近一年來(lái)，百度量子持續(xù)研發(fā)了諸多量子軟硬件接口技術(shù)。據(jù)最新的公開數(shù)據(jù)，百度量子已公開幾十項(xiàng)與量脈相關(guān)的專利，保護(hù)范圍涵蓋量脈中積累的各種底層技術(shù)：從云平臺(tái)架構(gòu)到量子硬件建模，從量子門脈沖優(yōu)化到脈沖調(diào)度，從噪聲處理到近期量子算法脈沖層面的實(shí)現(xiàn)。
持續(xù)積累賦能量子基礎(chǔ)設(shè)施
要實(shí)現(xiàn)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的控制，出色的軟件架構(gòu)扮演著十分重要的角色，它不僅能夠提升實(shí)驗(yàn)人員工作效率，還可以提升量子硬件穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。百度量子團(tuán)隊(duì)研發(fā)API接口對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行快速建模、脈沖設(shè)計(jì)、量子系統(tǒng)仿真，其目的在于更精準(zhǔn)地刻畫量子系統(tǒng)、模擬動(dòng)力學(xué)演化及真實(shí)的測(cè)控流程，并打通模擬器、真實(shí)硬件，方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)生成、儲(chǔ)存以及量子最優(yōu)化控制等功能。另外，量脈還引入云服務(wù)技術(shù)，使得在量子控制領(lǐng)域應(yīng)用云服務(wù)的強(qiáng)大算力成為可能。
超導(dǎo)電路被認(rèn)為是最有前景的量子計(jì)算硬件候選者。近些年，諸如量子霸權(quán)、化學(xué)分子基態(tài)能量模擬等重要進(jìn)展已在超導(dǎo)量子硬件上實(shí)現(xiàn)。然而，受限于現(xiàn)有的量子硬件架構(gòu)，高效實(shí)現(xiàn)量子算法還面臨著量子比特寄生串?dāng)_、連通性和串?dāng)_性難以共存等難題。瞄準(zhǔn)這些核心挑戰(zhàn)，百度量子團(tuán)隊(duì)采用有效哈密頓量方法，不僅對(duì)“含coupler型超導(dǎo)電路”中量子門噪聲機(jī)制給予了很好的解釋，還提出新穎的參數(shù)區(qū)間及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)建議，預(yù)期可在實(shí)驗(yàn)中獲得更高的量子門保真度。此外，百度量子還提出了解決超導(dǎo)量子比特間連通性和串?dāng)_性無(wú)法共存的技術(shù)方案，即通過(guò)引入總線量子比特和耦合量子比特，可以在實(shí)現(xiàn)計(jì)算量子比特全連通的同時(shí)，有效地避免計(jì)算量子比特之間的串?dāng)_，進(jìn)一步提升量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。目前百度量子有多項(xiàng)公開專利關(guān)注于這個(gè)方向，其中兩項(xiàng)專利獲得中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的授權(quán)，一項(xiàng)專利獲得澳大利亞專利局的授權(quán)。
除了超導(dǎo)量子計(jì)算，量脈也支持全連通離子阱硬件平臺(tái)的激光脈沖生成和調(diào)度，這使得量脈成為國(guó)內(nèi)首個(gè)同時(shí)支持超導(dǎo)、離子阱、核磁共振三種硬件的量子控制云計(jì)算平臺(tái)。通過(guò)量脈離子阱模塊，用戶可方便高效地實(shí)現(xiàn)全連通離子的高保真度多量子比特糾纏態(tài)。同時(shí)，量脈離子阱也支持多種不同構(gòu)型的離子阱芯片類型，只需簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù)即可生成不同離子阱芯片類型所需的脈沖波形。
不斷創(chuàng)新推動(dòng)前沿科技
百度量子團(tuán)隊(duì)在打破量子軟硬件壁壘的研究過(guò)程中，還對(duì)其中遇到的難題創(chuàng)造性地提出可能的解決方案。
脈沖是控制量子硬件中量子態(tài)演化的信號(hào)，其引入的測(cè)控誤差以及退相干等因素會(huì)嚴(yán)重影響到計(jì)算結(jié)果的精度。量脈研究并設(shè)計(jì)了諸多與脈沖優(yōu)化校準(zhǔn)、以及脈沖層級(jí)編譯相關(guān)的技術(shù)方案，旨在提升從量子電路到所需控制脈沖的編譯效率，提升量子任務(wù)的實(shí)現(xiàn)效果。在該方向上量脈有若干項(xiàng)相關(guān)專利公開，涉及邏輯量子電路的編譯、快速控制脈沖優(yōu)化算法、量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化快速模擬算法等，一項(xiàng)獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的授權(quán)。其中量子電路編譯相關(guān)的專利技術(shù)也在某科研院所得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了脈沖編譯保真度的提升。
在量子計(jì)算硬件層面，量子比特的控制和讀取需要通過(guò)量子測(cè)控來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在量子測(cè)控過(guò)程中，電磁串?dāng)_是兩個(gè)相鄰比特之間不可忽略的難題，通常這類硬件層面的噪聲并不能通過(guò)芯片本身的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行處理，這使得量子任務(wù)無(wú)法精確執(zhí)行。百度量子實(shí)現(xiàn)了量子比特間串?dāng)_的標(biāo)定，并通過(guò)將噪聲哈密頓量添加到系統(tǒng)哈密頓量進(jìn)行模擬計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初始脈沖的優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到緩釋電磁串?dāng)_的效果。
此外，量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算無(wú)外乎都是對(duì)信號(hào)的處理技術(shù)，而噪聲則是信號(hào)處理中不得不面對(duì)的不利因素，同時(shí)也是量子計(jì)算發(fā)展過(guò)程中最大的攔路虎。針對(duì)量子門噪聲與量子測(cè)量噪聲，百度量子團(tuán)隊(duì)利用了量子信息、凸優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，創(chuàng)新地提出了多種通過(guò)放大與組合噪聲進(jìn)行量子噪聲緩釋的技術(shù)方案，且有多項(xiàng)核心專利公開。特別值得一提的是，針對(duì)量子測(cè)量噪聲緩釋的相關(guān)成果也已在量子計(jì)算頂級(jí)會(huì)議TQC2021作報(bào)告展示。
在國(guó)內(nèi)量子產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的形勢(shì)下，百度量子繼續(xù)秉持著“人人皆可量子”的美好愿景，儲(chǔ)備量子計(jì)算核心技術(shù)，開拓量子計(jì)算高潛應(yīng)用。現(xiàn)階段，百度量子已完成了以量脈、量槳、量易伏三大項(xiàng)目為主體的百度量子平臺(tái)的數(shù)次重磅升級(jí)，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)接入量子計(jì)算真機(jī)的云原生量子計(jì)算平臺(tái)。百度量子平臺(tái)提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎(chǔ)所需的大量軟件工具以及接口，希望其成為“量子計(jì)算時(shí)代操作系統(tǒng)”。百度在前沿科技領(lǐng)域不斷提高技術(shù)影響力，同時(shí)也為全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。
