周报 | 国内首个量子操作系统即将面世；中国科大提出新的量子处理器设计方法

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

收录于话题 #量子周报 89个内容

光子盒研究院出品

本源量子即将发布中国首个量子计算机操作系统

本源量子今日宣布即将公开国内首个量子计算机操作系统，其发布会时间为2021年2月8日晚上8点。

此前，英国量子计算初创公司Riverlane已经于2020年12月公开发布其量子操作系统Deltaflow.OS第一个版本：“Deltaflow-on-ARTIQ”。该产品旨在使量子硬件公司以及算法和应用程序开发人员能够通过简化协作和减少实验室停机时间来加速他们的研究。这个版本使用模拟硬件和ARTIQ作为后端。

中国科大郭国平团队提出了一种专用量子处理器设计方法

大多数量子算法都需要量子比特的全连接，而这很难直接在含噪声的NISQ量子处理器上实现。在未耦合的量子比特之间插入交换门来启用双量子比特门会显著降低计算结果的保真度。

为此，中国科大郭国平团队提出了一种专用量子处理器设计方法，可以为不同的量子算法设计合适的结构。该方法将处理器结构从二维点阵扩展到一般平面，并根据量子算法中逻辑量子比特与物理约束之间的双量子比特门分布来安排物理耦合器。

添加辅助量子比特并将媒体结构（media structure）更改为具有多个顶点的结构

实验结果表明，与其他方法相比，他们的设计方法可以平均减少至少104.2%的额外交换门。而且，随着深度和量子比特数的增加，该方法比其他方法的优势也越来越明显。结果表明，这一方法在提高计算结果保真度方面是有竞争力的，在技术条件下有可能显示出量子优势。

详情：

https://arxiv.org/abs/2102.01228

IBM公开新的量子软件路线图

IBM宣布了其量子软件发展路线图，其中包括通过使量子电路加速100倍，在2021年大幅提高量子应用速度。这个新的路线图是对其之前的硬件路线图的补充。

今年，IBM计划发布Qiskit运行时(runtime)，这是一个执行环境，它增加了以比以往任何时候都快得多的速度运行更多电路的能力，并具有存储量子程序的能力。Qiskit运行时重新考虑了经典/量子工作负载，因此程序将在位于量子硬件旁边的经典硬件上上传和执行，大大减少了用户计算机和量子处理器之间通信产生的延迟。

这些改进将使利用迭代电路执行的工作加速100倍，这将使量子系统只需几个小时就可以运行作业，而今天，这可能需要几个月的时间。

IBM不仅在增加系统的容量，而且其系统将运行更多种类的电路，允许用户解决以前任何量子处理器都无法解决的问题。更新的软件接口，加上正在进行的技术开发，将使量子内核开发人员能够在2022年之前运行动态电路，这些电路结合了经典指令和量子指令，需要在量子比特的相干时间内运行。

到2023年及以后，IBM将推出电路库和先进的控制系统，用于操纵大量子比特结构，使量子内核开发人员能够充分利用具有1000个或更多量子比特的硬件。对于量子算法开发人员，IBM将继续改进和推出新的工具，以有效地构建和实施量子电路；以及针对自然科学、优化、机器学习和金融的特定应用模块，使他们的探索更容易。

到2023年，IBM预计将为这些领域提供全系列的预构建运行时，这些运行时可以使用各种通用开发框架从基于云的API调用。开发人员将可以自由地丰富在任何云本地混合运行时、语言和通用编程框架中构建的系统，或者将量子组件简单地集成到任何业务工作流中。

详情：

https://www.ibm.com/blogs/research/2021/02/quantum-development-roadmap/

神经网络与量子电路协同设计框架QuantumFlow有望实现量子优势

量子计算机在执行神经网络方面的能力一直是个未知数，这主要是由于缺少一个有效设计适合量子电路的神经网络的工具。一个研究小组最近开发了一个神经网络和量子电路协同设计框架，即QuantumFlow，以解决该问题。

研究人员在《自然》杂志上发表了大量的计算和参考文献，他们的结论表明，在量子计算上执行神经网络相对于经典网络具有潜在的优势。

在QuantumFlow中，他们将数据表示为酉矩阵，通过将n = 2k输入编码为k个量子比特，并将数据表示为随机变量，从而在不进行测量的情况下无缝连接各层，以利用量子能力。

结合一种新的算法，基于酉矩阵的神经计算的代价复杂度可以从经典计算中的O（n）降低到量子计算中的O（polylog（n））。结果表明，在MNIST数据集上，QuantumFlow的计算精度为94.09%，与传统计算机相比成本降低了10.85倍。所有这些结果都证明了QuantumFlow实现量子优势的潜力。

详情：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20729-5

欧盟量子旗舰联盟启动了一个硅自旋量子比特项目

欧盟量子旗舰联盟（EU Quantum Flagship Consortium）启动了一个硅自旋量子比特项目，目标是扩展硅量子技术，该项目命名为QLSI（基于硅的量子大规模集成）。这个由CEA LeTi协调的四年欧盟项目，将为欧盟工业级的半导体量子处理器奠定基础，并将使得欧洲成为量子计算的全球领导者。该项目将重点展示自旋量子比特是能够大规模扩展的领先平台。

QLSI项目拥有一支具有技能互补的团队，汇集了对硅纳米结构和自旋量子比特有深入了解的经验丰富的学者、具有硅CMOS技术专长的专业技术人员、半导体和计算行业的国际商业公司以及欧洲蓬勃发展的量子初创企业。每个成员都带来了各自领域的最新专业知识，以应对构建可扩展量子计算机的挑战。

QLSI联盟将通过演示16量子比特芯片将该项目提升到一个新的水平，还将把8量子比特芯片嵌入QuTech的Quantum Inspire量子云平台，供外部使用。

详情：

https://qutech.nl/2021/02/04/new-eu-quantum-flagship-consortium-launches-a-project-on-silicon-spin-qubits-as-a-platform-for-large-scale-quantum-computing/

费米实验室致力于解决量子计算中的“误差因素”

费米实验室的一位研究人员透露，他们正朝着解决量子计算带来的最大挑战之一“误差因素”迈进。他们希望其工作将有助于为研究人员几十年来一直追求的实用量子计算开辟道路。

一笔1.15亿美元的美国联邦拨款正在资助费米实验室和超导量子材料与系统中心(SQMSC)的工作，以推进量子计算研究。

“如果我们不进行纠错，就不会有计算，”亚利桑那大学纠错实验室主任、电气和计算机工程教授Bane Vasic表示。

详情：

https://optics.org/news/12/1/43

德国启动第一个超导量子计算机开发项目

德国联邦教育与研究部(BMBF)资助了一个为期四年的项目——GeQCoS(基于超导量子比特的德国量子计算机)，目标是基于超导量子比特构建具有新特性的量子处理器。

在这个联合项目中，德国超导量子电路领域的领先专家合作开发了创新概念，用于构建改进的量子处理器。他们的目标是基于卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的新材料和制造方法、埃尔朗根-纽伦堡大学(FAU)的定制理论概念、德国于利希研究中心(FZJ)的优化控制方法和瓦尔特-梅纳研究所(WMI-巴伐利亚科学院和慕尼黑工业大学合作)的更高连接性的新架构概念，实现质量更高的量子处理器。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/kYj1JsbDsvSSCbVL5m9Usg

微软Azure量子云平台发布公开预览版

2月1日，微软面向量子解决方案的全栈公共云生态系统Azure Quantum已经从有限预览版升级为公开预览版，开发者、研究人员、系统集成商和客户可以使用Azure Quantum来学习和构建解决方案。

Azure Quantum提供一系列的量子服务，包括各种各样的量子解决方案、软件和硬件。微软已经与1QBit、霍尼韦尔、IonQ、QCI和东芝合作。

公开预览版还包括微软和1Qbit的软件。新的算法应用量子原理来提高速度和精度，在包括CPU、GPU和FPGA在内的一系列集成电路上大规模运行，可以加快解决化学、医学、金融和物流问题的研究。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/HqnCOFJgr90T8bWzzoXq4w

中科院量子计算云平台完成了全面升级

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院（上海）联手济南量子技术研究院和科大国盾量子技术股份有限公司，对量子计算云平台进行了全面升级。

此外，中科院量子计算云平台将在未来接入“九章”量子计算机，用户可有效求解“高斯玻色取样”数学问题，并把该数学问题映射到量子化学、机器学习等应用。

全新的量子计算云平台是一个集实验（平台有实体量子计算物理机）、交流（关键量子计算技术和前沿研究结果）、分享（量子计算知识普及）为一体的公共平台信息系统。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/w9xGUJ75fDcBuWtMTD_F8Q

Aliro加入量子网络中心（CQN）行业咨询委员会，为商用量子互联网奠定基础

领先的量子网络公司Aliro Quantum宣布加入量子网络中心（CQN）行业咨询委员会。Aliro将帮助CQN建立第一个由量子中继器支持的远程量子网络，使得政府和企业使用成为现实。以亚利桑那大学为中心的CQN成立于2020年，获得了美国国家科学基金会（NSF）2600万美元的资助。

CQN将基于量子中继器开发第一个量子网络，在多个用户组之间以10 M qubits/s的速度在100公里内同时实现完全纠错的量子连接。哈佛大学教授、Aliro首席技术官Prineha Narang是CQN机构的主要负责人，其专注于量子材料、器件和基础知识研究。

详情：

https://www.insidequantumtechnology.com/news/aliro-joins-the-center-for-quantum-networks-cqn-industry-advisory-board-to-lay-the-foundations-for-a-commercially-available-quantum-internet/

本源量子和建信金科发布国内首批量子金融算法

本源量子宣布，公司携手建设银行旗下建信金科量子金融应用实验室，以建信基金应用场景为依托，联合发布共同研发的业内首批量子金融应用算法，包括“量子期权定价算法”与“量子风险价值(VaR)计量算法”，相关参数明显优于国外同类产品。

研究人员在相同设备和条件下，对本源量子期权定价应用与国际量子计算公司IBM的同类产品进行了对比验证，相关参数明显优于国外同类产品。标志着我国量子计算在金融应用领域的研究迈出了重要一步。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/VMdUTp3Naq6fIIjPNJSRFA

AQT在离子阱系统上演示了24个量子比特的纠缠

奥地利因斯布鲁克大学的衍生公司Alpine Quantum Technologies GmbH(AQT)在离子阱系统上演示了24个量子比特的纠缠。

AQT公司制造了一台紧凑型离子阱量子计算演示器，并放置在两个19英寸的室温机架中。他们与因斯布鲁克大学合作，在不使用后选择或错误缓解技术的情况下，产生了最多24个离子的最大纠缠Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态。每个离子代表一个量子比特。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/tESSKbNlWh74XuQIidvBLQ

CINECA获得Pasqal的100量子比特中性原子处理器的使用权

CINECA超算中心选择Pasqal的100量子比特中性原子处理器来为其位于法国帕拉伊索的处理器提供运行时间。Pasqal技术的几个关键特征被认为是至关重要的：更高的量子比特连通性，处理器拓扑随意重新排列，以及实现哈密顿进化的模拟控制。

Pasqal将推出其第一个原型——“Fresnel”100量子比特处理器，是以19世纪法国物理学家菲涅耳的名字命名的。该量子处理器支持量子模拟任务(如拓扑材料)，以及量子算法的混合实现，重点是优化问题的解决，例如在能源部门。

CINECA是由意大利大学和研究机构组成的一个非盈利组织。作为全世界最著名的科学计算中心之一，整个欧洲的科学家都在向CINECA寻求所需的高性能计算(HPC)资源和数据处理能力，推进从人工智能和自动化，到核物理和纳米技术的各项研究。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/tESSKbNlWh74XuQIidvBLQ

QOSF宣布2020年Wittek开源软件量子奖得主

量子开源基金会(QOSF)与Unitary Fund合作，评审了50多项对开源量子软件做出最佳贡献的提名，并把2020年Wittek开源软件量子奖授予了Roger Luo。

Roger Luo是滑铁卢大学和Perimeter研究所的博士生，他用Julia编程语言对Yao.jl及其周围的生态系统进行了研究。Yao.jl是可用的最快的免费量子模拟器之一，其周围的生态系统由量子BFS组织旗下的50多个存储库组成。除了Yao.jl，Roger还在几十个存储库中做出了超过3000个开源贡献。

详情：

https://docs.google.com/document/d/1LH9gm_nqiTHHXAjU3LR_Gb63V7Lt1py3dOmnILOlD2s/edit

丹麦技术大学研究小组开发了高速量子随机数发生器

在丹麦技术大学（DTU）物理副教授Tobias Gehring的领导下，bigQ的一组研究人员与谢菲尔德大学、约克大学和丹麦Cryptomathic a/S公司合作，开发了一种量子随机数发生器(QRNG)设备。

所展示的QRNG不仅具有最高的量子攻击防御性，还提高了2.9Gbps的速率，使其最快的QRNG设备之一。

这一量子突破背后的团队的雄心壮志超越了研究，明确的目标是将QRNG设备商业化，以便全球客户能够从其高速和经得起未来考验的随机数在多种应用中受益。

详情：

https://www.fysik.dtu.dk/english/about-dtu-physics/news/Nyhed?id=%7BC9FFA31D-F951-436A-B782-48A3D8E41600%7D

无需低温就可以使用量子传感技术扫描大脑

由英国国家量子技术计划和惠康（Wellcome）资助的诺丁汉大学彼得·曼斯菲尔德爵士影像中心和伦敦大学学院惠康人类神经影像中心的合作研究小组正在开发具有量子灵敏度的磁场传感器，而不需要使用低温环境。

多年来，唯一可行的选择是在超导量子干扰设备（SQUID）上对大脑功能进行成像。SQUID是一种低温传感器，其依靠量子隧穿穿过两个超导体之间的绝缘间隙（约瑟夫森效应）。隧穿电流是通过SQUID的磁通量的函数，为了保持其超导性，必须将SQUID冷却至–269°C，这限制了磁成像（MEG）扫描仪的设计和部署。

详情：

https://physicsworld.com/a/quantum-physics-gives-brain-sensing-meg-scanners-a-boost/

新型量子传感器为炎症类疾病的早期诊断、预防和治疗提供了新的途径

日本国立量子与辐射科学技术研究所（QST）、保加利亚科学院和保加利亚索非亚大学的国际联合团队开发出一种新型量子传感器。

QST首席科学家Rumiana Bakalova博士和她的同事Ichio Aoki博士说：“这种新型传感器适用于伴有炎症的疾病的早期诊断，如传染病、癌症、神经退行性变、动脉粥样硬化、糖尿病和肾功能不全。”

该传感器包括一个量子点-半导体-核心，表面涂有一种称为α-环糊精的环状糖状化合物，该化合物又与六个称为氮氧化物衍生物的氧化还原敏感化学基团结合。这些成分具有良好的安全性，环糊精被批准用于食品中，氮氧化物衍生物由于其抗氧化特性被认为对生物无害。

氮氧化物衍生物使传感器在还原状态下发出荧光信号，在氧化状态下发出磁信号。这允许使用磁共振成像（MRI）和电子顺磁成像（EPR）等方法检测氧化应激或或降低的细胞/组织容量，因为这些方法可以检测磁信号。

详情：

https://www.news-medical.net/news/20210204/Novel-quantum-sensor-offers-a-new-route-to-early-diagnosis-preventive-treatment.aspx

“超混沌”量子行为允许无需复杂的计算能力即可模拟复杂的量子系统

多年来，量子计算机的发展一直受到经典CPU处理速度的限制。然而，俄罗斯拉夫伯勒大学、英国诺丁汉大学和俄罗斯因诺波利斯大学的科学家们发现了量子比特行为的一个转变特征，推动了这项技术的发展。如果成功的话，这将使研究人员不需要有世界上最快的超级计算机那样高水平的计算能力，就能够模拟复杂的量子系统，这将对更新、更好和更强大的量子密码工具的发展产生积极的影响。

这篇论文发表在《NPJ量子信息》杂志上，研究人员展示了他们关于如何利用量子比特的混沌行为来避免对大量能量需求的发现，展示了被称为“超混沌(Hyperchaos)”的现象。

由此，研究人员将通过构建和测试比例模型来控制这些参数的临界值，测量系统以找出量子处理器的参数是否允许它正常工作。

“这项工作的结果对于理解复杂的量子动力学有深刻的见解。”诺丁汉大学物理与天文学院的Weibin Li博士说：“未来的量子计算机由数千个量子比特组成，其功能将比市场上最快的经典计算机强几个数量级。”

详情：

https://thequantumdaily.com/2021/02/03/hyperchaos-qubit-behaviour-that-allows-the-simulation-of-complex-quantum-systems-without-extensive-computational-power/

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