想象一下，有一座超大規(guī)模的未來計算中心，精密儀器密布其間，數(shù)據(jù)流以不可思議的速度飛馳。當(dāng)指令下達(dá)瞬間，數(shù)以億計的部件便精準(zhǔn)協(xié)同、全力運(yùn)轉(zhuǎn)。要讓這一切成為現(xiàn)實，靠的是什么？
答案或許出人意料：不只是更強(qiáng)大的芯片，還需要一個能縱觀全局、調(diào)度千軍萬馬的“大管家”。
近日，我國首款自主研發(fā)的量子計算機(jī)操作系統(tǒng)“本源司南”正式面向全球開放下載，其扮演的正是量子計算機(jī)體系中“大管家”角色。作為全球首個開放線上下載渠道的量子計算機(jī)操作系統(tǒng)，“本源司南”正以開放包容的姿態(tài)，推動我國量子計算產(chǎn)業(yè)從技術(shù)攻堅向產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系建設(shè)邁出重要一步。
在針尖上跳舞
在本源量子計算機(jī)組裝與測試實驗室，稀釋制冷機(jī)發(fā)出低沉而規(guī)律的“嗡嗡”聲，正持續(xù)為第三代自主超導(dǎo)量子計算機(jī)“本源悟空”營造超低溫的運(yùn)行環(huán)境。這臺擁有72個計算量子比特的機(jī)器，如今已為全球超過160個國家和地區(qū)完成80余萬次運(yùn)算任務(wù)。
什么是量子計算機(jī)？簡單來說，它是一種利用量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行信息處理的裝置，能夠完成高速數(shù)學(xué)與邏輯運(yùn)算，并實現(xiàn)信息的存儲與處理。
傳統(tǒng)計算機(jī)依賴經(jīng)典比特來處理信息，每個經(jīng)典比特只能代表一個確定的狀態(tài)，也就是“0”或“1”。而量子計算機(jī)的基本信息單元是量子比特，這種基于微觀粒子（如原子或光子）的量子態(tài)構(gòu)建的單元，具有獨特的量子疊加特性，可以同時處于“0”和“1”的疊加狀態(tài)。正是這一特性，賦予了量子計算機(jī)并行處理海量信息的巨大潛力，也為其帶來了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算的強(qiáng)大能力。
“經(jīng)典計算機(jī)解題，好比迷宮里只有你一個人，走不通了就退回重試，需要逐條路排除；而量子計算機(jī)解題，就像瞬間派出無數(shù)個分身，同時探索所有路徑。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、本源量子首席科學(xué)家郭國平比喻。
正是憑借這種并行計算能力，量子計算機(jī)有望在幾分鐘內(nèi)解決傳統(tǒng)計算機(jī)需要耗費(fèi)萬年計算的“宇宙級難題”。然而，要讓這項前沿科技從實驗室走向應(yīng)用，離不開一個關(guān)鍵的推手——量子計算機(jī)操作系統(tǒng)。
當(dāng)前，隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速突破，全球量子計算競賽正進(jìn)入生態(tài)構(gòu)建的重要階段。作為量子資源調(diào)度、任務(wù)協(xié)同、軟硬件適配與應(yīng)用落地的核心樞紐，操作系統(tǒng)層面的突破非常重要。
但做好開發(fā)并非易事，與管理成熟穩(wěn)定硬件的Windows等傳統(tǒng)計算機(jī)操作系統(tǒng)不同，量子計算機(jī)操作系統(tǒng)面對的是極其脆弱的量子單元?！皽囟炔▌印⑽⑿≌駝?，甚至電磁環(huán)境的細(xì)微變化，都可能讓量子態(tài)瞬間崩潰?！惫鶉秸f，“操作量子計算機(jī)就像在針尖上跳舞?！?/p>
以開放換生態(tài)
打開瀏覽器，檢索“本源量子云”，點擊進(jìn)入，便能輕松找到“本源司南”操作系統(tǒng)免費(fèi)使用入口。作為國內(nèi)自主研發(fā)的科技成果，這款操作系統(tǒng)融合量子計算的諸多特色。
“我們著力讓量子計算機(jī)從‘需要專家手動調(diào)校的精密儀器’轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ處熞材茌p松上手的自動化設(shè)備，在核心調(diào)度、噪聲抑制、錯誤緩解等關(guān)鍵底層算法下功夫，全面提升量子計算機(jī)的穩(wěn)定性和易用性?！惫鶉浇榻B，“本源司南”還引入自動校準(zhǔn)功能，“過去需要依賴經(jīng)驗實時監(jiān)測量子比特運(yùn)行狀態(tài)的工作，如今可由系統(tǒng)自動完成，一旦發(fā)現(xiàn)偏差便能及時修正，從而顯著降低對人工調(diào)參的依賴。”
此外，“本源司南”還加入了高效的并行調(diào)度機(jī)制，能夠合理安排多個計算任務(wù)，有效避免算力閑置，提升資源利用率，相關(guān)技術(shù)已成功部署在國內(nèi)的“本源悟空”系列量子計算機(jī)上，并保持穩(wěn)定運(yùn)行。
“現(xiàn)在，任何科研機(jī)構(gòu)、高校或企業(yè)都可在本地快速完成系統(tǒng)部署，開展量子算法的研發(fā)與驗證?！惫鶉奖硎?，以自主破壟斷，以開放換生態(tài)，“量子計算的競爭，本質(zhì)上是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的競爭，只有通過開放的手段讓更多人‘用起來’，愿意在國產(chǎn)量子芯片和系統(tǒng)上做開發(fā)，國內(nèi)量子計算產(chǎn)業(yè)才能在快速迭代中補(bǔ)齊短板，構(gòu)建真正自主可控、可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。”
但開放，遠(yuǎn)不止于“開源”和“使用”，開發(fā)者想要在不同硬件平臺之間進(jìn)行遷移，往往面臨巨大的適配成本。由于各類型量子芯片底層的操控指令存在本質(zhì)差異，每當(dāng)接觸一種新的量子硬件，開發(fā)者常常需要重新學(xué)習(xí)一套指令集、重新構(gòu)建一套運(yùn)行環(huán)境，極大限制了量子計算應(yīng)用生態(tài)的發(fā)展。作為完整的量子計算機(jī)操作系統(tǒng)，“本源司南”構(gòu)建了一套覆蓋底層驅(qū)動到上層應(yīng)用的全棧式解決方案，不僅能夠直接支持超導(dǎo)、離子阱、中性原子等多種技術(shù)路線的量子芯片，還可協(xié)同調(diào)度量子計算、超級計算與人工智能算力資源，真正使“量子算力”走向可用、可控、可落地。
“通俗地說，我們?yōu)榱孔佑嬎愦蛟炝艘惶住ㄓ谜Z言’。”郭國平介紹，針對不同技術(shù)體系的量子芯片，只需要本地部署“本源司南”，就可以操作硬件，完成校準(zhǔn)、調(diào)度與優(yōu)化工作。
開放“本源司南”線上下載通道，量子計算機(jī)的底層能力將有效“工具化”。硬件廠商有系統(tǒng)可用，開發(fā)者有平臺可依，最終讓普通用戶有算力可調(diào)，讓更多人參與到量子計算的創(chuàng)新中來。
融入生產(chǎn)生活
當(dāng)前，量子計算正處于從原型機(jī)向工程機(jī)過渡的關(guān)鍵應(yīng)用期，未來5年是量子計算技術(shù)從實驗室原型向市場化應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵窗口期。
作為量子資源調(diào)度、任務(wù)協(xié)同、軟硬件適配與應(yīng)用落地的核心樞紐，“本源司南”提前搭建起軟件底座，讓應(yīng)用開發(fā)與硬件研發(fā)并行，有效推動量子計算從實驗室走向行業(yè)應(yīng)用。
目前，依托“本源司南”，量子計算機(jī)已在多個關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。在金融領(lǐng)域，它成功支撐“本源悟空”運(yùn)行全球最大規(guī)模的投資組合優(yōu)化應(yīng)用；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，作為底層軟件核心，“本源司南”高效驅(qū)動了乳腺鉬靶檢測、藥物分子性質(zhì)預(yù)測及藥物分子對接等關(guān)鍵應(yīng)用，為藥物研發(fā)與精準(zhǔn)醫(yī)療開辟了量子加速的全新路徑。
然而，快速發(fā)展的背后，量子計算也面臨新的挑戰(zhàn)。如何讓更多開發(fā)者“有工具可用、有場景可做”，正成為推動技術(shù)普及的關(guān)鍵命題。
當(dāng)前，我國已在“三硬三軟”六大核心能力上系統(tǒng)布局，但在專用算法工具鏈層面仍顯薄弱，尚未催生出具有廣泛影響力的“殺手級”應(yīng)用。硬件的進(jìn)步需要應(yīng)用牽引，軟件的成熟需要開發(fā)者驗證，而技術(shù)的最終落地則離不開行業(yè)用戶的信任。從“造出來”到“用起來”，生態(tài)規(guī)模與應(yīng)用豐富度的不足，依然是橫亙在技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之間的現(xiàn)實鴻溝。
郭國平認(rèn)為，應(yīng)充分利用現(xiàn)有超導(dǎo)量子計算機(jī)及超算中心的資源優(yōu)勢，加快推動“量超融合”計算中心建設(shè)。同時，深入實施“千家場景”行動計劃，在金融、政務(wù)、通信、生物醫(yī)藥等重點領(lǐng)域，面向全國征集和遴選標(biāo)桿應(yīng)用場景，讓新技術(shù)“有地方可用、有場景可練”。
技術(shù)落地需要載體，創(chuàng)新突破離不開方向指引。在量子計算加速走向應(yīng)用的進(jìn)程中，以“司南”命名的量子計算機(jī)操作系統(tǒng)已迭代至4.0版本。它既象征著前行的方向，也承載著探索的使命。展望未來，量子計算有望逐步成為潤物無聲、無處不在的新型基礎(chǔ)設(shè)施，以更高效、更安全、更智能的方式，融入生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、交通和金融的每一個角落，為智能社會筑牢底層基石。（梁 睿 李思隱）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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