量子計算被認為是下一代計算技術的心臟，同時也是引領新一輪量子革命的代表性技術。作為芯片尺寸突破經典物理極限的邏輯必然，同時也是后摩爾時代標志性的技術，近些年量子計算獲得了巨大的關注，國內外科技巨頭也紛紛入局參與或投資量子計算。
近日，國家工業信息安全發展研究中心、工信部電子知識產權中心在第二屆兩化融合暨數字化轉型大會上發布了《中國人工智能高價值專利及創新驅動力分析報告》（以下簡稱“報告”）。報告不僅從專利數量維度統計了國內量子計算領域的創新成果，還從“創造力”、“保護力”、“運用力”、“競爭力”、“影響力”五大指標維度構建了高價值專利評價模型，以此對國內創新主體在量子計算領域的高價值專利及創新驅動力進行評價。結果顯示，包括IBM、谷歌等國外公司憑借先發優勢，在中國量子計算領域專利儲備多，專利質量相對較高。值得特別注意的是，隨著中國量子計算步入全球第一梯隊，中國公司的量子專利實力也表現亮眼。在量子計算全球高價值專利及創新驅動力排名中，百度緊隨IBM、谷歌之后，位列第三。
連接量子軟硬件橋梁——量脈
在量子計算中，量子任務通常由量子門組成的量子電路來刻畫。然而，當量子任務在量子硬件上運行時，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“翻譯”的質量會直接影響到整個量子計算的性能。為此，百度研究院量子計算研究所研發了用于量子計算的“翻譯官”——量脈。使用量脈，用戶可通過云服務和開源 SDK 獲得高效和專業的量子控制解決方案，將量子任務編譯成高保真度的脈沖序列。目前，量脈同時支持超導電路、離子阱、核磁共振業界三種不同類型的量子硬件。值得一提的是，量脈的脈沖調度技術最近在某科研院所的超導量子計算硬件上得到實踐和落地，發揮出有效的量子控制能力并展現出性能優勢。近一年來，百度量子持續研發了諸多量子軟硬件接口技術。據最新的公開數據，百度量子已公開幾十項與量脈相關的專利，保護范圍涵蓋量脈中積累的各種底層技術：從云平臺架構到量子硬件建模，從量子門脈沖優化到脈沖調度，從噪聲處理到近期量子算法脈沖層面的實現。
持續積累賦能量子基礎設施
要實現對量子計算機的控制，出色的軟件架構扮演著十分重要的角色，它不僅能夠提升實驗人員工作效率，還可以提升量子硬件穩定性和實驗結果可靠性。百度量子團隊研發API接口對量子系統進行快速建模、脈沖設計、量子系統仿真，其目的在于更精準地刻畫量子系統、模擬動力學演化及真實的測控流程，并打通模擬器、真實硬件，方便地進行數據生成、儲存以及量子最優化控制等功能。另外，量脈還引入云服務技術，使得在量子控制領域應用云服務的強大算力成為可能。
超導電路被認為是最有前景的量子計算硬件候選者。近些年，諸如量子霸權、化學分子基態能量模擬等重要進展已在超導量子硬件上實現。然而，受限于現有的量子硬件架構，高效實現量子算法還面臨著量子比特寄生串擾、連通性和串擾性難以共存等難題。瞄準這些核心挑戰，百度量子團隊采用有效哈密頓量方法，不僅對“含coupler型超導電路”中量子門噪聲機制給予了很好的解釋，還提出新穎的參數區間及相應的實驗建議，預期可在實驗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量子比特間連通性和串擾性無法共存的技術方案，即通過引入總線量子比特和耦合量子比特，可以在實現計算量子比特全連通的同時，有效地避免計算量子比特之間的串擾，進一步提升量子計算實現的準確性。目前百度量子有多項公開專利關注于這個方向，其中兩項專利獲得中國國家知識產權局的授權，一項專利獲得澳大利亞專利局的授權。
除了超導量子計算，量脈也支持全連通離子阱硬件平臺的激光脈沖生成和調度，這使得量脈成為國內首個同時支持超導、離子阱、核磁共振三種硬件的量子控制云計算平臺。通過量脈離子阱模塊，用戶可方便高效地實現全連通離子的高保真度多量子比特糾纏態。同時，量脈離子阱也支持多種不同構型的離子阱芯片類型，只需簡單的幾個參數即可生成不同離子阱芯片類型所需的脈沖波形。
不斷創新推動前沿科技
百度量子團隊在打破量子軟硬件壁壘的研究過程中，還對其中遇到的難題創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演化的信號，其引入的測控誤差以及退相干等因素會嚴重影響到計算結果的精度。量脈研究并設計了諸多與脈沖優化校準、以及脈沖層級編譯相關的技術方案，旨在提升從量子電路到所需控制脈沖的編譯效率，提升量子任務的實現效果。在該方向上量脈有若干項相關專利公開，涉及邏輯量子電路的編譯、快速控制脈沖優化算法、量子系統動力學演化快速模擬算法等，一項獲得國家知識產權局的授權。其中量子電路編譯相關的專利技術也在某科研院所得到應用，實現了脈沖編譯保真度的提升。
在量子計算硬件層面，量子比特的控制和讀取需要通過量子測控來實現。而在量子測控過程中，電磁串擾是兩個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芯片本身的設計和優化進行處理，這使得量子任務無法精確執行。百度量子實現了量子比特間串擾的標定，并通過將噪聲哈密頓量添加到系統哈密頓量進行模擬計算，從而實現對初始脈沖的優化，進而達到緩釋電磁串擾的效果。
此外，量子計算與經典計算無外乎都是對信號的處理技術，而噪聲則是信號處理中不得不面對的不利因素，同時也是量子計算發展過程中最大的攔路虎。針對量子門噪聲與量子測量噪聲，百度量子團隊利用了量子信息、凸優化、機器學習等前沿技術，創新地提出了多種通過放大與組合噪聲進行量子噪聲緩釋的技術方案，且有多項核心專利公開。特別值得一提的是，針對量子測量噪聲緩釋的相關成果也已在量子計算頂級會議TQC2021作報告展示。
在國內量子產業加速發展的形勢下，百度量子繼續秉持著“人人皆可量子”的美好愿景，儲備量子計算核心技術，開拓量子計算高潛應用。現階段，百度量子已完成了以量脈、量槳、量易伏三大項目為主體的百度量子平臺的數次重磅升級，成為國內首個接入量子計算真機的云原生量子計算平臺。百度量子平臺提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎所需的大量軟件工具以及接口，希望其成為“量子計算時代操作系統”。百度在前沿科技領域不斷提高技術影響力，同時也為全球量子計算產業的發展貢獻自己的力量。
