想象一下，有一座超大規(guī)模的未來(lái)計(jì)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(jì)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(shí)，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(gè)能縱觀全局、調(diào)度千軍萬(wàn)馬的“大管家”。

近日，我國(guó)首款自主研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)“本源司南”正式面向全球開(kāi)放下載，其扮演的正是量子計(jì)算機(jī)體系中“大管家”角色。作為全球首個(gè)開(kāi)放線上下載渠道的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，“本源司南”正以開(kāi)放包容的姿態(tài)，推動(dòng)我國(guó)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)從技術(shù)攻堅(jiān)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(jì)算機(jī)組裝與測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)“本源悟空”營(yíng)造超低溫的運(yùn)行環(huán)境。這臺(tái)擁有72個(gè)計(jì)算量子比特的機(jī)器，如今已為全球超過(guò)160個(gè)國(guó)家和地區(qū)完成80余萬(wàn)次運(yùn)算任務(wù)。

什么是量子計(jì)算機(jī)？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)與處理。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依賴經(jīng)典比特來(lái)處理信息，每個(gè)經(jīng)典比特只能代表一個(gè)確定的狀態(tài)，也就是“0”或“1”。而量子計(jì)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(dú)特的量子疊加特性，可以同時(shí)處于“0”和“1”的疊加狀態(tài)。正是這一特性，賦予了量子計(jì)算機(jī)并行處理海量信息的巨大潛力，也為其帶來(lái)了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算的強(qiáng)大能力。

“經(jīng)典計(jì)算機(jī)解題，好比迷宮里只有你一個(gè)人，走不通了就退回重試，需要逐條路排除；而量子計(jì)算機(jī)解題，就像瞬間派出無(wú)數(shù)個(gè)分身，同時(shí)探索所有路徑。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、本源量子首席科學(xué)家郭國(guó)平比喻。

正是憑借這種并行計(jì)算能力，量子計(jì)算機(jī)有望在幾分鐘內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要耗費(fèi)萬(wàn)年計(jì)算的“宇宙級(jí)難題”。然而，要讓這項(xiàng)前沿科技從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用，離不開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵的推手——量子計(jì)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(jì)算競(jìng)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(kāi)發(fā)并非易事，與管理成熟穩(wěn)定硬件的Windows等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)不同，量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)面對(duì)的是極其脆弱的量子單元?！皽囟炔▌?dòng)、微小振動(dòng)，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。”郭國(guó)平說(shuō)，“操作量子計(jì)算機(jī)就像在針尖上跳舞?！?/p>

以開(kāi)放換生態(tài)

打開(kāi)瀏覽器，檢索“本源量子云”，點(diǎn)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(guó)內(nèi)自主研發(fā)的科技成果，這款操作系統(tǒng)融合量子計(jì)算的諸多特色。

“我們著力讓量子計(jì)算機(jī)從‘需要專家手動(dòng)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(dòng)化設(shè)備，在核心調(diào)度、噪聲抑制、錯(cuò)誤緩解等關(guān)鍵底層算法下功夫，全面提升量子計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性和易用性。”郭國(guó)平介紹，“本源司南”還引入自動(dòng)校準(zhǔn)功能，“過(guò)去需要依賴經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)量子比特運(yùn)行狀態(tài)的工作，如今可由系統(tǒng)自動(dòng)完成，一旦發(fā)現(xiàn)偏差便能及時(shí)修正，從而顯著降低對(duì)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(gè)計(jì)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(guó)內(nèi)的“本源悟空”系列量子計(jì)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?；蚱髽I(yè)都可在本地快速完成系統(tǒng)部署，開(kāi)展量子算法的研發(fā)與驗(yàn)證?！惫鶉?guó)平表示，以自主破壟斷，以開(kāi)放換生態(tài)，“量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)，本質(zhì)上是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)，只有通過(guò)開(kāi)放的手段讓更多人‘用起來(lái)’，愿意在國(guó)產(chǎn)量子芯片和系統(tǒng)上做開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)量子計(jì)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)?！?/p>

但開(kāi)放，遠(yuǎn)不止于“開(kāi)源”和“使用”，開(kāi)發(fā)者想要在不同硬件平臺(tái)之間進(jìn)行遷移，往往面臨巨大的適配成本。由于各類(lèi)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(kāi)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(jì)算應(yīng)用生態(tài)的發(fā)展。作為完整的量子計(jì)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(dòng)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(jì)算、超級(jí)計(jì)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(shuō)，我們?yōu)榱孔佑?jì)算打造了一套‘通用語(yǔ)言’?！惫鶉?guó)平介紹，針對(duì)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(kāi)放“本源司南”線上下載通道，量子計(jì)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(kāi)發(fā)者有平臺(tái)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(jì)算的創(chuàng)新中來(lái)。

融入生產(chǎn)生活

當(dāng)前，量子計(jì)算正處于從原型機(jī)向工程機(jī)過(guò)渡的關(guān)鍵應(yīng)用期，未來(lái)5年是量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室原型向市場(chǎng)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?xiě)?yīng)用開(kāi)發(fā)與硬件研發(fā)并行，有效推動(dòng)量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室走向行業(yè)應(yīng)用。

目前，依托“本源司南”，量子計(jì)算機(jī)已在多個(gè)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(dòng)了乳腺鉬靶檢測(cè)、藥物分子性質(zhì)預(yù)測(cè)及藥物分子對(duì)接等關(guān)鍵應(yīng)用，為藥物研發(fā)與精準(zhǔn)醫(yī)療開(kāi)辟了量子加速的全新路徑。

然而，快速發(fā)展的背后，量子計(jì)算也面臨新的挑戰(zhàn)。如何讓更多開(kāi)發(fā)者“有工具可用、有場(chǎng)景可做”，正成為推動(dòng)技術(shù)普及的關(guān)鍵命題。

當(dāng)前，我國(guó)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(jí)”應(yīng)用。硬件的進(jìn)步需要應(yīng)用牽引，軟件的成熟需要開(kāi)發(fā)者驗(yàn)證，而技術(shù)的最終落地則離不開(kāi)行業(yè)用戶的信任。從“造出來(lái)”到“用起來(lái)”，生態(tài)規(guī)模與應(yīng)用豐富度的不足，依然是橫亙?cè)诩夹g(shù)與產(chǎn)業(yè)之間的現(xiàn)實(shí)鴻溝。

郭國(guó)平認(rèn)為，應(yīng)充分利用現(xiàn)有超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)及超算中心的資源優(yōu)勢(shì)，加快推動(dòng)“量超融合”計(jì)算中心建設(shè)。同時(shí)，深入實(shí)施“千家場(chǎng)景”行動(dòng)計(jì)劃，在金融、政務(wù)、通信、生物醫(yī)藥等重點(diǎn)領(lǐng)域，面向全國(guó)征集和遴選標(biāo)桿應(yīng)用場(chǎng)景，讓新技術(shù)“有地方可用、有場(chǎng)景可練”。

技術(shù)落地需要載體，創(chuàng)新突破離不開(kāi)方向指引。在量子計(jì)算加速走向應(yīng)用的進(jìn)程中，以“司南”命名的量子計(jì)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(lái)，量子計(jì)算有望逐步成為潤(rùn)物無(wú)聲、無(wú)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(gè)角落，為智能社會(huì)筑牢底層基石。