量子计算机常见术语简介（6）
胡经国
74、量子软件
公开资料对“量子软件”作了如下的介绍：
众所周知，软件是计算机的“灵魂”。一旦量子计算机研制成功，量子软件的开发将变成真正发挥量子计算机作用的关键。因此，量子软件理论和方法的研究是一个非常重要的课题。然而，由于量子系统与经典世界相比有许多根本不同的特征，如量子信息的不可克隆性、纠缠的存在等，因而经典的软件理论、方法和技术在很大程度上不能直接适用于量子软件。这就使得量子软件的研究成为一个十分困难而富有挑战性的课题。
虽然量子计算机距离成熟和大规模应用还有很长的路要走，但是国际IT巨头们早已开始在量子软件领域布局，以争夺未来真正控制量子计算机的先机。
⑴、“软”“硬”并重
与经典计算机无异，量子计算的实现不仅需要硬件，还要有软件、算法、应用，而软件又被看作是计算机的“灵魂”。不过，由于量子系统与经典世界相比有许多截然不同的特征，经典的软件理论、方法和技术在很大程度上不能直接适用于量子软件。因此，量子软件的开发复杂而困难。
早在十几年前，中国科学院软件研究所研究员、学术副所长应明生就意识到，量子软件的理论和方法是一个极富挑战性的课题。他领导的团队在这十几年中已经研究了一整套量子程序设计、纠错、验证的相关理论。
只是，由于量子计算机尚未实现，研究量子软件是否为时尚早？就在大部分传统计算机科学家还在观望时，国外一些有远见的学术机构，以及微软、谷歌、IBM等IT巨头已经开始对量子操作系统和量子软件进行布局，甚至展开了在量子软件方向的人才竞争。
在2011年左右，微软就建立了从事量子算法、量子软件研究的QuArC团队。2017年年底，该团队发布了为驾驭规模化量子计算机而专门优化的新的编程语言“Q#”，协助开发者编写量子程序。同时发布的还有一款模拟器，供程序员在传统计算机上进行量子软件测试。
2019年5月，微软和谷歌还联合推出了一门在线互动课程《量子计算机编程》。初学者可以通过网页进行量子算法的模拟，并且验证自己的模拟和编程是否正确。
这些IT巨头的长期目标，就是创造一整套软件来运行和控制量子计算机，并且建立行业标准。
中国科学院软件研究所量子软件团队副研究员应圣钢告诉《中国科学报》说：“在经典计算时代，我们不少工业软件开发的核心技术至今被人卡着‘脖子’。到了量子计算时代，不该再重蹈覆辙。”
⑵、理论优势工程化
①、量子软件的组成
2018年12月4日，美国国家科学、工程与医学院发布的《量子计算：发展与前景》研究报告提到，量子软件的组成，包括能够让程序员描述量子计算算法的编程语言、分析它们并将其映射到量子硬件的编译器，以及可在特定量子硬件上实现分析、优化、调试和测试程序的其他软件支持，例如，需要仿真和调试工具来调试软硬件；需要优化工具来帮助高效实现算法；需要验证工具来帮助确保软硬件的正确性。
②、中国首个量子软件设计平台isQ
中国科学院软件研究所量子软件团队与合作者，在不使用任何国外量子程序设计开源软件的前提下，自主研发了集程序设计、测试、分析、验证于一体的工具平台isQ。目前，已经上线的功能主要包括：编译器、模拟器、模型检测工具、定理证明器四部分。
该团队副研究员应圣钢介绍说，isQ平台最大的特点是把理论研究的优势工程化。该团队在程序设计与验证理论研究方面有长达十几年的积累，提出了量子程序设计的新模型，建立了量子程序设计逻辑基础，发现了量子程序分析新算法等。“这是目前国际上量子软件开发企业很少能做到的。”
在量子程序设计方面，isQ平台包含的编译器首先能将高级语言编写的量子程序转化为指令集语言，从而对接不同的量子硬件。这是一切工具的基础。
“其他编译器大多只能编译没有While循环的顺序量子程序。我们的编译器可以处理量子While循环、递归量子程序；后续还将基于理论研究成果支持并行量子程序，甚至还能验证编译器的正确性。”应圣钢说。
此外，量子程序和传统计算机程序相比具有很大的不同。特别是由于量子叠加和量子纠缠的存在，因而量子程序设计员可能更容易犯错。设计量子程序的调试和验证技术是推动量子计算发展的一项具有根本性挑战的基本要求。而量子程序验证研究的一个主要方向是发展适用于量子计算的程序逻辑。
应圣钢表示，团队设计的定理证明器基于量子Hoare逻辑，可以辅助量子程序设计、纠错，还可扩展用于量子密码协议验证。“这也让isQ成为目前世界上首个能够对量子程序是否正确进行验证的平台，并且在经典计算机上克服了计算时间与存储空间的限制，为较大规模量子程序的设计提供帮助。”
接下来，该团队会进一步完善isQ平台的功能，包括定理证明器与编译器的对接等。该团队也希望与国内量子硬件团队紧密合作，尽快将这一平台配置在国内自主研制的量子计算机上。
⑶、人才培养是初衷
中国科学院软件研究所研究员、学术副所长应明生曾说，中国正在大力提倡原始创新，而原始创新只有在新领域机会才更多。量子软件恰好是一个正在兴起的新领域，希望有更多的年轻人参与研究。
中国需要自己培养人才。而对于量子计算这种前瞻性强的领域，需要长期的投入和布局。应圣钢认为，关键不是讨论现在的技术能在什么时候直接创造经济收入，而是要培养并且储备一批能够开发量子软件的人才，为未来的机遇与挑战作准备。这也是isQ平台建设的初衷。
应圣钢认为，目前量子软件人才培养的困境，主要在于既懂数学又会大规模编程的学生十分稀缺。会编写大规模程序的，数学基础往往不够好；数学系毕业的，大多数不会大规模编程；而两者都具备的学生，又很少有意愿从事量子软件开发，以至于团队目前只能自己培养研究人员。
前些年，由于行业发展周期影响，团队每一年甚至每两年才能招到一个博士生。这也让该软件所团队下决心，要借助平台建设进行跨学科人才的培养和储备。
尽管目前这个领域论文产出难，成长周期长、回报慢，博士生甚至会为“能否按时毕业”而发愁。但是，在应圣钢看来，“量子软件，志在未来”。
75、中国量子软件成果转化及产业化平台
公开资料对“中国量子软件成果转化及产业化平台”作了如下的介绍：
⑴、“中科软”简介
中国科学院软件研究所科技股份有限公司（以下简称：“中科软”）是中国科学院软件研究所量子软件成果转化及产业化的唯一平台。
中科软源于北京中科软信息系统有限公司，是中国科学院软件研究所实施国家知识创新试点工程的产物，是研究所技术研究及开发主体转制的结果。
该公司成立于1996年5月，其总部设在北京市。它是专门从事计算机软件研发、应用、服务的智能密集型高新技术企业。该公司以大型行业应用软件开发和系统集成为核心，集自主开发的行业通用软件产品、网络信息安全软件产品、大型网络应用软件组合平台、中间件软件产品及应用工具于一体，涵盖了系统软件、支撑软件、行业应用软件等各个层次，可以为大型应用系统工程提供全方位支持。它拥有多年从事软件工程实施以及国内外合作开发及推广的丰富经验，是北京市新技术产业开发试验区新技术企业，国家发展计划委员会、信息产业部、商务部、国家税务总局认定的“国家规划布局内的重点软件企业”，“国家火炬计划北京软件产业基地”骨干企业，“AAA级信用企业”，北京市软件企业。
该公司已通过ISO9001质量体系认证，CMMI5级的评估认证。获得信息产业部系统集成一级资质证书，国家保密局涉及国家秘密的信息系统集成甲级资质证书。到目前为止，该公司已经获得突出业绩和颇高荣誉，荣获国家科技进步三等奖一项，国家级新产品、国家重点新产品各一项，中科院科技进步二等奖一项，并且多次获得中国国际软件博览会金奖和创新奖。
中科软科技现已拥有一支千余人的、以年轻的博士硕士为骨干的、老中青结合的科技队伍。同时，拥有一支资深顾问团队，其成员涉及保险、银行、政府、媒体、电力、卫生、邮政等诸多行业领域。中科软科技以在保险、银行、政府、媒体、邮政等各个领域的迅猛发展。并且，吸引着越来越多的来自世界各地的跨国企业巨头成为他们的战略伙伴。
从2003年起，中科软科技更是依托在业界的广泛渠道及良好的合作关系，连续举办了中国软件领域的权威盛会——中国软件技术大会。大会以“张扬个性、促进创新、引爆争鸣、激发活力”为口号，以中立、开放为宗旨，容纳并汇聚了当今软件业的多种技术和流派，获得了社会的广泛关注与认可。
“发展软件产业，创新软件科技”——中科软科技作为一家快速成长的中国软件企业，将继续秉承踏实严谨的工作作风，以发展民族软件业为己任，扎根本土，放眼世界，用我们的激情与智慧，携手合作伙伴、共创辉煌未来。
⑵、量子软件设计平台
2016年，软件所在中国国内率先部署量子软件研究方向；成立了量子软件研究研究室，重点开展量子软件理论研究和工程实现两部分工作。今天发布的量子软件设计平台，就是基于研究团队多年来，在量子程序设计模型、量子程序逻辑、量子程序分析算法等方面所取得的系统性理论成果基础上实现的。其中的验证工具是国际首创。”中国科学院软件研究所所长赵琛说。
⑶、量子软件类型
当前，量子软件大致可以分为两类，一类是面向量子算法的量子软件，其目的是保证量子算法能够准确地转化为量子计算机可以执行的量子机器语言；一类是为量子硬件服务的量子软件，其目的是保障量子芯片能够有效地设计、运行。在现阶段，这两大类软件均已经运行于经典计算设备上，是量子计算机开发、运行不可或缺的部分。
⑷、量子软件开发工具链
“一套可用性高、功能广泛而强大，集程序设计、测试、分析、验证于一体的工具链，对量子软件开发十分重要。”中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室量子软件研究团队副研究员应圣钢表示，随着量子芯片规模和电路层数深度的提升，在经典计算机上用模拟器运行、调试量子程序所需的时间、空间将成指数增长，最终将无法完成。
76、量子硬件
公开资料对“量子硬件”作了以下介绍：
⑴、量子计算机的核心——量子芯片
量子计算机的核心——量子芯片具有多种不同的呈现形式。绝大多数量子芯片，名副其实地，是一块芯片，由集成在基片表面的电路结构构建出包含各类量子比特的量子电路。但是，量子芯片不等同于量子计算机，它仅仅是量子计算机中的一个核心结构。
量子态不可克隆原理（简单说，就是量子比特信息是无法复制的）导致量子计算机的存储设备和计算设备的结构肯定与电子计算机有所差异。冯诺依曼结构是可行的，但是它未必是最佳的选择。如果有人能把这个问题解决好了，这大概是很了不起的理论成就。
⑵、量子计算需要硬件系统实现
量子计算机是建立在量子芯片基础上的运算机器。其中最关键的两点是：如何将运算任务转化为对量子芯片中的量子比特的控制指令；以及如何从量子芯片上的量子比特的量子态中提取出运算结果。除此以外，更加基础地，量子计算机需要提供能维持量子芯片运行的基本环境。以上这些都需要特殊的硬件系统来实现。它们实现了量子计算机软件层到量子计算机芯片层的交互。
⑶、量子计算机硬件组成部分
量子计算机硬件主要包含两个部分：一个是量子芯片支持系统，用于提供量子芯片所必需的运行环境；另一个是量子计算机控制系统，用于实现对量子芯片的控制，以完成运算过程和获得运算结果。
鉴于目前国际主流量子计算研发团队主要聚焦超导量子芯片与半导体量子芯片这两种体系，同时它们的量子计算机硬件有相当多的共性
以下将具体展开介绍量子芯片支持系统和量子计算机控制系统这两种体系适用的量子计算机硬件。
⑷、量子芯片支持系统
超导量子芯片和半导体量子芯片这两种体系对运行环境的需求类似；最基本的需求均为接近绝对零度的极低温环境。其主要原因在于：这两种体系的量子比特的能级接近，基本上都在GHz频段。该频段内的热噪声对应的噪声温度约在300mK以上。为了抑制环境噪声，必须使量子芯片工作在远低于与其能级对应的热噪声温度。稀释制冷机能够提供量子芯片所需的工作温度和环境。利用3He/4He混合气实现稀释致冷，稀释制冷机能够将量子芯片冷却到10mK以下的极低温。在2018年IBM''sInauguralIndex开发者大会上，IBM展示的“50位量子计算机原型机”，实际上就是维持50位量子芯片运行的稀释制冷机以及其内部的线路构造。IBM的稀释制冷机用于容纳50位量子芯片。
除了稀释制冷机本身以外，量子计算研究人员需要花费大量精力设计、改造、优化稀释制冷机内部的控制线路与屏蔽装置，以全面地抑制可能造成量子芯片性能下降的噪声因素。其中最主要的三点是：热噪声、环境电磁辐射噪声以及控制线路带来的噪声。
①、热噪声
抑制热噪声的主要方式是在稀释制冷机的基础上，为量子芯片设计能迅速带走热量的热沉装置。该装置需要兼容量子芯片的封装。例如，包含多种热沉结构的量子芯片封装；包含半导体量子芯片以及超导量子芯片。其中，热沉主要使用了无氧紫铜材料。
②、环境电磁辐射噪声
环境电磁辐射噪声是较难控制的环境干扰。其中又可以分为电场辐射以及磁场辐射。
电场辐射主要产生来源是稀释制冷机中更高温层的红外辐射，其频段和量子比特的能级相仿，因此会加速量子比特的弛豫过程，从而降低量子芯片的性能。
磁场辐射来源复杂，诸如地磁场、带磁元件的剩磁、控制电流引发的磁场等。它们会干扰量子比特的能级，破坏量子芯片的相干时间。可工作于极低温环境的电磁屏蔽技术，一直是伴着量子计算研究人员的需求发展的。伯克利大学Sidiqqi研究组使用了一种红外辐射屏蔽技术。他们设计了用于包裹量子芯片的屏蔽桶，并且在桶的内壁使用了一种黑色的特殊涂层，用于增强对红外辐射的吸收。
③、控制线路携带的噪声
控制线路携带的噪声主要也是由热效应引起的。由于量子芯片工作环境的特殊性，从量子计算机控制系统发出的控制信号，要从稀释制冷机接入，然后经过漫长的低温线路，最后到达量子芯片。而热噪声近似和温度成正比。可想而知，从室温（约300K）传入的噪声，相比前面所说的量子比特能级对应的噪声温度（约300mK）相差了近1000倍。这么大的噪声如果直接到达维持在10mK温度的量子芯片，那么会直接破坏量子比特的量子相干性。解决办法是尽可能地抑制从室温传入的信号，使从室温传入的噪声降至和量子芯片的工作温度一个级别。同时，我们还要设法将除了控制信号以外的其他所有频段的无关信号一并滤除，而这一点则是通过各类特种低温滤波器实现的。例如，适用于超导量子芯片的量子芯片支持系统中极低温控制线路的设置。
⑸、量子计算机控制系统
①、两个关键问题的解决方案
量子计算机控制系统提供的是以下两个关键问题的解决方案：如何将运算任务转化为对量子芯片中的量子比特的控制指令；以及如何从量子芯片上的量子比特的量子态中提取出运算结果。其背后的基础是，如何实施量子逻辑门操作，以及如何实施量子比特量子态读取。
②、如何实施量子逻辑门操作
量子逻辑门操作的本质是使一组量子比特经过指定的受控量子演化过程。例如，使得量子比特从基态（或者称态）到激发态（或者称态），可以借助一个单量子比特π门来实现。实施这样的受控量子演化过程，需要借助精密的脉冲信号；通常可以使用高速任意波形发生器、商用微波源、混频线路等的组合来实现。当然，通过对光场、磁场甚至机械声波的调控，也可以在某些量子芯片体系中实现量子逻辑门操作。商用设备的性能越高，越容易实现高保真度的量子逻辑门操作。当然，前提是量子比特的质量可靠。
③、如何实施量子比特量子态读取
量子比特量子态的读取有多种方式。但是，考虑到需要读取量子芯片中某个或者某组量子比特的量子态，必须要使用一种称之为“非破坏性测量”的方式，以消除因测量导致的反作用。通常使用的方法是在量子比特结构旁边额外设计一个对量子态敏感的探测器，间接地通过探测探测器的响应来推测量子比特的量子态。例如，使用RF探测器。通过该探测器的指定频率的微波信号会随着半导体量子芯片中电子状态而变化，进而能从RF探测器的信号中计算出量子比特的量子态变化。捕获RF探测器的信号的装置通常为网络分析仪或者高速数字采集卡。
④、量子计算机控制系统研究
随着量子芯片集成度的提高，纯粹采用商用仪器搭建量子芯片的控制与读取系统的方法的弊端越来越大。商用仪器成本昂贵，功能冗余，兼容性差，难以集成，并且不能满足未来量子计算机发展的需要。为量子计算机专门设计并且研制适用的量子计算机控制系统，是明智的选择。
目前，量子计算机控制系统的研究刚刚起步不久。2016年，苏黎世仪器公司与代尔夫特理工大学研究团队成立的QuTech公司合作，研制了一套可用于7位超导量子芯片工作的集成量子芯片测控系统，包含最高可扩展至64通道的AWG以及同步的高速ADC采集通道。2017年底，是德科技自主研发了一套100通道的量子芯片测控系统，具备百ps级系统同步性能与百ns级量子芯片信号实时处理能力，最高可用于20位超导量子芯片完整运行。2018年，合肥本源量子计算科技有限责任公司也研制出40通道的量子芯片测控系统，可以应用于8位超导量子芯片或者2位半导体量子芯片。这是中国第一套完整的量子计算机控制系统。除此之外，加州大学－圣塔芭芭拉分校、苏黎世理工学院、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、RaytheonBBNTechnologies公司等，都有自主研发的量子计算机控制系统或者模块。为了降低功耗，提高信号质量，代尔夫特理工大学和悉尼大学的研究团队开展了4K到100mK温度的极低温量子计算机控制系统的研究。
77、量子信息技术
公开资料指出，量子信息技术是指以分子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子的量子态表示信息，并且利用量子力学原理进行信息存储、传输和处理的技术。量子态是描述具有波粒二相性的微观粒子运动状态的函数。量子信息技术是量子物理学与信息技术相结合的新兴技术。目前，主要包括量子计算技术、量子通信技术和量子探测技术等。
78、国内外若干量子计算软件实例
公开资料对国内外若干量子计算软件实例进行了介绍（此处从略）。
79、高级量子编程语言
公开资料对“高级量子编程语言”作了以下介绍：
⑴、国外高级量子编程语言
①、Q#
Q#是一种算法定义语言。它利用丰富的量子－经典相互作用可以很容易地表达相位估计和量子化学算法。它是一种典型的领域特征语言，仅用于描述在量子芯片上可能发生的操作。对于在传统CPU上执行的操作，Q#的编程模型规定需要一门经典编程语言来描述。
②、Quipper
Quipper是Haskell中嵌入的一种强类型的函数量子编程语言。它可以描述高级电路，并且允许混合过程式和声明式编程风格的语法。
③、LIQui|>
基于F#的“LIQui|>”（Liquid）语言提供了大量的高级操作来简化量子编程，如受控门与反计算的自动实现。它的编译器可以自动地实现优化、容错翻译、量子电路打印等。
④、ScaffCC/Scaffold
ScaffCC/Scaffold利用LLVM基础架构，嵌入在C/C++中。它在量子电路描述、操作、分解和优化上提供了强大的功能，但是在描述量子和经典模块之间的关系上显得模糊。
⑤、QWIRE
QWIRE是一种定义量子电路的语言。它在任意经典宿主语言中可以操作量子电路，具有高表现力和高度模块化的特征，反映出QRAM计算模型。无论宿主语言是什么，QWIRE都是安全和强规范化的。
⑵、中国高级量子编程语言
例如，QRunes提供了一个完备的HACQ类型系统，规范了量子编程的边界，保证了量子程序编译执行的正确性。健全的语法规则用来协调和约束量子操作和经典操作。安全的语义用来融合量子计算和经典计算之间的语义差异。编译方式为运行时编译，并且可扩展、可重构。
2021年5月6日编写于重庆
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