華為首次推出量子計算雲服務，HiQ量子云平台模擬效果業內領先

機器之心報道

作者：李澤南、劉曉坤、樊曉芳

10 月 12 日，華為在全聯接大會上正式發布了量子計算模擬器雲服務平台 HiQ，包括基於華為雲經典算力構建的量子計算模擬器及量子編程框架。

這也使得華為在繼去年 10 月中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室、中科大本源量子公司、清華大學 NMRCloud 團隊在同一天發布量子計算雲平台之後，成為國內又一家進軍量子計算雲服務的機構。這家通信巨頭現正在積极參与全球量子計算生態的構建。

「在中國，量子計算的概念已經非常火熱，」華為副總裁，雲 BU 總裁鄭葉來在發布會上表示，「華為正在探索量子計算的潛力，並已經在量子計算模擬方面取得了階段性成果。」

首次亮相的量子計算模擬服務

這次發布的華為量子計算模擬器雲服務，在量子電路模擬上實現了多項功能的重大創新，包括高性能分散式內存計算框架、最優化量子門調度及容和演算法、量子門操作演算法優化，以及在雲伺服器上的軟硬體優化等。

HiQ 量子計算模擬雲服務架構圖

其中，HiQ 量子計算模擬器分三類。在全振幅量子計算模擬上，可以支持 42 個量子比特的模擬電路（如果用戶模擬 38 以內的量子比特，則該服務是免費的）；在單振幅量子計算模擬中，可以實現 81 個量子比特（40 層）甚至 169 個量子比特（20 層）的隨機電路模擬計算。（註：全振幅模擬是指一次模擬計算就能算出量子態的所有振幅；單振幅模擬是指一次模擬計算只能計算出 2 的 N 次方振幅中的一個。）

量子計算模擬器的模擬結果主要取決分散式並行演算法、調度演算法、電路優化、內存計算軟硬體綜合優化等

目前國內企業及科研團隊在量子計算模擬器方向最近有很多研究。鄭葉來表示，HiQ 量子計算雲服務平台基於華為雲強大的計算資源，採用了一些突破性技術，克服了全振幅模擬器增加量子比特時，內存容量和網路寬頻需求指數級上升的一些挑戰。

同時，HiQ 量子計算雲服務平台還集成了量子糾錯線路模擬的功能，提供全球首個支持數萬量級量子比特模擬的並行量子糾錯線路模擬器，其性能是同類開源模擬器 CHP 的 5-15 倍。

糾錯電路是量子糾錯演算法對應的電路，對未來的通用容錯量子計算機非常關鍵。華為的糾錯模擬電路基於 stabilizer circuit 模型，可應用於超導量子電路、離子阱量子計算機等量子計算硬體的糾錯，為量子糾錯機制研究提供有用工具。

隨著隨機電路中量子比特數的增加，HiQ（藍色）和 CHP（紅色）模擬糾錯電路的模擬時間增長曲線。

華為 HiQ 解決方案架構

本次華為發布的量子編程框架，兼容已開源的量子軟體框架 Project Q。同時在基於現有經典-量子編程 API 之上，新增兩個圖形用戶編程界面——量子電路編排 GUI（Graphical User Interface）與經典-量子混合編排 BlockUI（Block User Interface），使經典-量子混合編程更加簡單和直觀。

量子電路編排 GUI 可以更直觀地從物理層面上進行量子演算法編程，對於有量子物理背景的研究人員更容易理解，例如業內領先的 IBM Q 量子計算雲服務也提供 GUI 編程界面。因為在量子演算法研究的初步階段，大多數演算法的表示形式都是這種圖式。

但在這個層面上，量子編程和經典編程的思想已經呈現了根本的不同。且在經典計算機上，從電路到編程語言還需要經過微架構、指令集架構、編譯器等層級；在完整的量子編程架構中，這些層級也會呈現相當不同的形式，這也為習慣經典編程思維的用戶帶來了理解上的困難。

華為 HiQ 量子計算編程框架架構

該編程框架架構的設計結合了量子力學的狄拉克符號表示和 Python 語言編程的思想，從代碼中可以直觀地理解演算法的物理過程。並且只要指定後端，用戶就能自主選擇在雲端的經典模擬器或以後的量子計算機上執行演算法。

量子隨機數生成演算法的 HiQ 代碼

目前，HiQ 量子計算模擬器雲服務可進行 10 余種重要基礎量子演算法的運算，包括量子隨機數生成、隱形傳態、Grover 演算法、Shor 演算法、量子支持向量機、相位估計以及最大值查詢等。該服務部分已在華為官網上線，可以申請免費使用。

HiQ 量子云服務平台演算法庫介紹

機器之心記者現場測試了量子相位估計演算法

GUI 界面的量子線路編排演示，圖中展示了貝爾態製備的線路，下方顯示了測量結果

「我們在軟體、硬體、系統工程方面進行了很多優化，現在我們的雲平台在一些指標上已經達到了業界領先的水平。我們也研發出基於華為崑崙伺服器的『崑崙量子計算模擬一體機』原型。」翁文康說道。

華為崑崙量子計算模擬一體機原型展示圖

提前布局的研究規劃及團隊

雖然是第一次正式發布量子計算相關研究成果，華為在量子通信和量子計算領域的研究布局早已開始。

此前其量子通訊方向的研發團隊大多在歐洲，包括就職在德國慕尼黑的量子通訊項目負責人、著名量子通信專家 Momtchil Peev。且近年不斷與歐洲當地企業及大學進行聯合研發及合作，近期則與西班牙電信、馬德里理工大學共同完成了證明可通過軟體定義網路（SDN）技術管理的光纖網路進行量子密鑰分發（QKD）實現量子保密通信的實驗，開創性地展示了量子保密通信技術與商業光纖網路技術融合應用的可能性。

在 2017 年《創新研究計劃（HIRP）公開項目》中，華為提及其在超導量子計算、量子演算法方向的研究規劃。

其中，華為正在進行量子計算的研究，具體研究範圍包括量子計算基本原理、實驗儀器、計算架構、不同路線的電路設計、電路 QED、容錯計算、商用機會等。同時，華為也在進行量子演算法方向的研究，例如新的量子演算法、量子演算法的可行性驗證實驗、量子機器學習等，希望挖掘量子演算法在 ICT 業務上的應用潛力。

「量子計算目前是華為中央研究院的基礎研究項目。」華為中央研究院量子計算與軟體演算法研究架構師張學倉說道。

此前不久，華為正式宣布了翁文康教授加入華為中央研究院數據中心技術實驗室，任量子計算軟體與演算法首席科學家。翁文康是量子計算領域的知名專家，來到華為後，他將主導量子演算法、量子人工智慧、量子模擬等領域的前沿研究和技術創新。

華為量子計算軟體與演算法首席科學家翁文康

翁文康教授是量子計算領域知名專家，他的研究方向包括量子演算法、量子人工智慧、量子模擬等，並取得了一系列重要的成果。他曾在《Nature Photonics》、《Nature Communications》、《Science Advances》、《PNAS》、《Physical Review Letters》、《npj Quantum Information》、《Science Bulletin》等國際著名刊物發表學術論文，並為《National Science Review》撰寫關於量子霸權的展望。在哈佛大學博士後研究期間，翁文康開發的 VQE 量子化學模擬演算法，已被谷歌和 IBM 等企業廣泛採用。

翁文康的加入，更進一步表明華為加碼量子計算技術研究的決心。

前瞻規劃的華為量子人工智慧大計

現今量子計算還僅僅走在探索計算穩定性、容錯率和實現機制的初步階段，華為展示的量子模擬技術已將技術的前沿提上了一個新的台階。

在當日的大會上，清華大學交叉信息研究院院長、中科院院士姚期智教授表示，「人工智慧領域中的一些演算法，如果使用量子計算的方法進行解釋，可以獲得以往無法期待的突破性進展。量子人工智慧可能造就終極學習機器。」翁文康也說道：「量子計算和人工智慧是天然的結合。現在我們已經可以用量子計算加速人工智慧的應用，或者用機器學習來研究量子計算了：這已經變成了一個逐漸火熱的研究方向——量子人工智慧。」

如果說今天的 AI 是基於深度神經網路的演算法、GPU/FPGA/TPU 等為主經典計算資源、大數據發展起來的，未來的 AI 可能是進一步被量子計算加持的某種超級智能或強人工智慧。這也許正是谷歌、微軟、IBM、阿里、騰訊、百度等各大已有強大雲計算基礎設施的公司在發展人工智慧技術業務後，進一步布局量子科學研究，甚至成立量子人工智慧研究室的理由，也是華為今天提供量子計算雲服務的初衷吧。

本文為機器之心報道，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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