軟體不再成量子計算「軟肋」

作者 | 胡珉琦

雖然量子計算機距離成熟和大規模應用還有很長的路要走，但國際IT巨頭們早已開始在量子軟體領域布局，以爭奪未來真正控制量子計算機的先機。

2019年年末，中國科學院軟體研究所（以下簡稱軟體所）發布消息，由其自主研發的國內第一個較為完整的量子程序設計平台isQ正式上線。

平台包括了量子程序設計、模擬、分析與驗證等一系列工具。

經典計算時代，國內工業軟體自主研發至今步履蹣跚，後經典計算時代，軟體不能再成為中國量子計算的「軟肋」。

「軟」「硬」並重

與經典計算機無異，量子計算的實現不僅需要硬體，還要有軟體、算法、應用，而軟體又被看作是計算機的「靈魂」。

不過，由於量子系統與經典世界相比有許多截然不同的特徵，經典的軟體理論、方法和技術在很大程度上不能直接適用於量子軟體。

因此，量子軟體的開發複雜且困難。

早在十幾年前，軟體所研究員、學術副所長應明生就意識到，量子軟體的理論和方法是一個極富挑戰性的課題。

他領導的團隊在這十幾年中已經研究了一整套量子程序設計、糾錯、驗證的相關理論。

只是，量子計算機尚未實現，研究量子軟體是否為時尚早？

就在大部分傳統計算機科學家還在觀望時，國外一些有遠見的學術機構，以及微軟、谷歌、 IBM等IT巨頭已經開始對量子作業系統和量子軟體進行布局，甚至展開了在量子軟體方向的人才競爭。

2011年左右，微軟建立了從事量子算法、量子軟體研究的QuArC團隊。

2017年年底，該團隊發布了為駕馭規模化量子計算機而專門優化的新的程式語言「Q#」，協助開發者編寫量子程序。

同時發布的還有一款模擬器，供程式設計師在傳統計算機上進行量子軟體測試。

2019年5月，微軟和谷歌還聯合推出了一門在線互動課程《量子計算機編程》，初學者可以通過網頁進行量子算法的模擬，並驗證自己的模擬和編程是否正確。

這些IT巨頭的長期目標，就是創造一整套軟體來運行和控制量子計算機，並建立行業標準。

軟體所量子軟體團隊副研究員應聖鋼告訴《中國科學報》，「在經典計算時代，我們不少工業軟體開發的核心技術至今被人卡著『脖子』，到了量子計算時代，不該再重蹈覆轍。」

理論優勢工程化

2018年12月4日，美國國家科學、工程與醫學院發布的《量子計算：發展與前景》研究報告提到，量子軟體的組成，包括能夠讓程式設計師描述量子計算算法的程式語言、分析它們並將其映射到量子硬體的編譯器，以及可在特定量子硬體上實現分析、優化、調試和測試程序的其他軟體支持，例如，需要仿真和調試工具來調試軟硬體、需要優化工具來幫助高效實現算法、需要驗證工具來幫助確保軟硬體的正確性。

此次，軟體所團隊與合作者在不使用任何國外量子程序設計開源軟體的前提下，自主研發了集程序設計、測試、分析、驗證於一體的工具平台。

目前，已經上線的功能主要包括編譯器、模擬器、模型檢測工具、定理證明器四部分。

應聖鋼介紹說，isQ平台最大的特點是把理論研究的優勢工程化。

團隊在程序設計與驗證理論研究方面有長達十幾年的積累，提出了量子程序設計的新模型，建立了量子程序設計邏輯基礎，發現了量子程序分析新算法等。

「這是目前國際上量子軟體開發企業很少能做到的。」

在量子程序設計方面，isQ平台包含的編譯器首先能將高級語言編寫的量子程序轉化為指令集語言，從而對接不同的量子硬體，這是一切工具的基礎。

「其他編譯器大多只能編譯沒有while循環的順序量子程序，我們的編譯器可以處理量子while循環、遞歸量子程序，後續還將基於理論研究成果支持並行量子程序，甚至還能驗證編譯器的正確性。」 應聖鋼說。

此外，量子程序和傳統電腦程式相比具有很大的不同，特別是由於量子疊加和糾纏的存在，量子程序設計員可能更容易犯錯，設計量子程序的調試和驗證技術是推動量子計算髮展的一項具有根本性挑戰的基本要求。

而量子程序驗證研究的一個主要方向是發展適用於量子計算的程序邏輯。

應聖鋼表示，團隊設計的定理證明器基於量子Hoare邏輯，可以輔助量子程序設計、糾錯，還可擴展用於量子密碼協議驗證。

「這也讓isQ成為了目前世界上首個能夠對量子程序是否正確進行驗證的平台，並且在經典計算機上克服了計算時間與存儲空間的限制，為較大規模量子程序的設計提供幫助。」

接下來，軟體所量子軟體團隊會進一步完善isQ平台的功能，包括定理證明器與編譯器的對接等。

團隊也希望與國內量子硬體團隊緊密合作，儘快將這一平台配置在國內自主研製的量子計算機上。

人才培養是初衷

應明生曾說，中國正在大力提倡原始創新，而原始創新只有在新領域機會才更多。

量子程序恰好是一個正在興起的新領域，希望有更多的年輕人參與研究。

中國需要自己培養人才。

而對於量子計算這種前瞻性大的領域，需要長期的投入和布局。

應聖鋼認為，關鍵不是討論現在的技術能在什麼時候直接創造經濟收入，而是要培養並儲備一批能夠開發量子程序的人才，為未來的機遇與挑戰作準備。

這也是isQ平台建設的初衷。

應聖鋼認為，目前，量子軟體人才培養的困境，主要在於既懂數學又會大規模編程的學生十分稀缺。會編寫大規模程序的，數學基礎往往不夠好；數學系畢業的，大多數不會大規模編程；而兩者都具備的學生，又很少有意願從事量子軟體開發，以至於團隊目前只能自己培養研究人員。

前些年，由於行業發展周期影響，團隊每一年甚至每兩年才能招到一個博士生。

這也讓軟體所團隊下決心，要藉助平台建設進行跨學科人才的培養和儲備。

儘管目前這個領域論文產出難，成長周期長、回報慢，博士生甚至會為「能否按時畢業」而發愁，但在應聖鋼看來，「量子軟體，志在未來」。

編輯 | 甘曉

排版｜郭剛

《中國科學報》 (2020-1-9 第3版 信息技術)