专利技术助力打破量子软硬件壁垒 百度引领量子计算科技创新

2021-10-20 15:43:01爱云资讯

量子计算被认为是下一代计算技术的心脏,同时也是引领新一轮量子革命的代表性技术。作为芯片尺寸突破经典物理极限的逻辑必然,同时也是后摩尔时代标志性的技术,近些年量子计算获得了巨大的关注,国内外科技巨头也纷纷入局参与或投资量子计算。

专利技术助力打破量子软硬件壁垒 百度引领量子计算科技创新

近日,国家工业信息安全发展研究中心、工信部电子知识产权中心在第二届两化融合暨数字化转型大会上发布了《中国人工智能高价值专利及创新驱动力分析报告》(以下简称“报告”)。报告不仅从专利数量维度统计了国内量子计算领域的创新成果,还从“创造力”、“保护力”、“运用力”、“竞争力”、“影响力”五大指标维度构建了高价值专利评价模型,以此对国内创新主体在量子计算领域的高价值专利及创新驱动力进行评价。结果显示,包括IBM、谷歌等国外公司凭借先发优势,在中国量子计算领域专利储备多,专利质量相对较高。值得特别注意的是,随着中国量子计算步入全球第一梯队,中国公司的量子专利实力也表现亮眼。在量子计算全球高价值专利及创新驱动力排名中,百度紧随IBM、谷歌之后,位列第三。

连接量子软硬件桥梁——量脉

在量子计算中,量子任务通常由量子门组成的量子电路来刻画。然而,当量子任务在量子硬件上运行时,则需要将量子电路“翻译”成量子硬件可以“听得懂”的脉冲指令。此时“翻译”的质量会直接影响到整个量子计算的性能。为此,百度研究院量子计算研究所研发了用于量子计算的“翻译官”——量脉。使用量脉,用户可通过云服务和开源 SDK 获得高效和专业的量子控制解决方案,将量子任务编译成高保真度的脉冲序列。目前,量脉同时支持超导电路、离子阱、核磁共振业界三种不同类型的量子硬件。值得一提的是,量脉的脉冲调度技术最近在某科研院所的超导量子计算硬件上得到实践和落地,发挥出有效的量子控制能力并展现出性能优势。近一年来,百度量子持续研发了诸多量子软硬件接口技术。据最新的公开数据,百度量子已公开几十项与量脉相关的专利,保护范围涵盖量脉中积累的各种底层技术:从云平台架构到量子硬件建模,从量子门脉冲优化到脉冲调度,从噪声处理到近期量子算法脉冲层面的实现。

持续积累赋能量子基础设施

要实现对量子计算机的控制,出色的软件架构扮演着十分重要的角色,它不仅能够提升实验人员工作效率,还可以提升量子硬件稳定性和实验结果可靠性。百度量子团队研发API接口对量子系统进行快速建模、脉冲设计、量子系统仿真,其目的在于更精准地刻画量子系统、模拟动力学演化及真实的测控流程,并打通模拟器、真实硬件,方便地进行数据生成、储存以及量子最优化控制等功能。另外,量脉还引入云服务技术,使得在量子控制领域应用云服务的强大算力成为可能。

超导电路被认为是最有前景的量子计算硬件候选者。近些年,诸如量子霸权、化学分子基态能量模拟等重要进展已在超导量子硬件上实现。然而,受限于现有的量子硬件架构,高效实现量子算法还面临着量子比特寄生串扰、连通性和串扰性难以共存等难题。瞄准这些核心挑战,百度量子团队采用有效哈密顿量方法,不仅对“含coupler型超导电路”中量子门噪声机制给予了很好的解释,还提出新颖的参数区间及相应的实验建议,预期可在实验中获得更高的量子门保真度。此外,百度量子还提出了解决超导量子比特间连通性和串扰性无法共存的技术方案,即通过引入总线量子比特和耦合量子比特,可以在实现计算量子比特全连通的同时,有效地避免计算量子比特之间的串扰,进一步提升量子计算实现的准确性。目前百度量子有多项公开专利关注于这个方向,其中两项专利获得中国国家知识产权局的授权,一项专利获得澳大利亚专利局的授权。

除了超导量子计算,量脉也支持全连通离子阱硬件平台的激光脉冲生成和调度,这使得量脉成为国内首个同时支持超导、离子阱、核磁共振三种硬件的量子控制云计算平台。通过量脉离子阱模块,用户可方便高效地实现全连通离子的高保真度多量子比特纠缠态。同时,量脉离子阱也支持多种不同构型的离子阱芯片类型,只需简单的几个参数即可生成不同离子阱芯片类型所需的脉冲波形。

不断创新推动前沿科技

百度量子团队在打破量子软硬件壁垒的研究过程中,还对其中遇到的难题创造性地提出可能的解决方案。

脉冲是控制量子硬件中量子态演化的信号,其引入的测控误差以及退相干等因素会严重影响到计算结果的精度。量脉研究并设计了诸多与脉冲优化校准、以及脉冲层级编译相关的技术方案,旨在提升从量子电路到所需控制脉冲的编译效率,提升量子任务的实现效果。在该方向上量脉有若干项相关专利公开,涉及逻辑量子电路的编译、快速控制脉冲优化算法、量子系统动力学演化快速模拟算法等,一项获得国家知识产权局的授权。其中量子电路编译相关的专利技术也在某科研院所得到应用,实现了脉冲编译保真度的提升。

在量子计算硬件层面,量子比特的控制和读取需要通过量子测控来实现。而在量子测控过程中,电磁串扰是两个相邻比特之间不可忽略的难题,通常这类硬件层面的噪声并不能通过芯片本身的设计和优化进行处理,这使得量子任务无法精确执行。百度量子实现了量子比特间串扰的标定,并通过将噪声哈密顿量添加到系统哈密顿量进行模拟计算,从而实现对初始脉冲的优化,进而达到缓释电磁串扰的效果。

此外,量子计算与经典计算无外乎都是对信号的处理技术,而噪声则是信号处理中不得不面对的不利因素,同时也是量子计算发展过程中最大的拦路虎。针对量子门噪声与量子测量噪声,百度量子团队利用了量子信息、凸优化、机器学习等前沿技术,创新地提出了多种通过放大与组合噪声进行量子噪声缓释的技术方案,且有多项核心专利公开。特别值得一提的是,针对量子测量噪声缓释的相关成果也已在量子计算顶级会议TQC2021作报告展示。

在国内量子产业加速发展的形势下,百度量子继续秉持着“人人皆可量子”的美好愿景,储备量子计算核心技术,开拓量子计算高潜应用。现阶段,百度量子已完成了以量脉、量桨、量易伏三大项目为主体的百度量子平台的数次重磅升级,成为国内首个接入量子计算真机的云原生量子计算平台。百度量子平台提供了连接顶层解决方案和底层硬件基础所需的大量软件工具以及接口,希望其成为“量子计算时代操作系统”。百度在前沿科技领域不断提高技术影响力,同时也为全球量子计算产业的发展贡献自己的力量。 人工智能

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