首个国产量子操作系统本源司南问世：数倍提升量子计算机运行效率

机器之心编辑部

2 月 8 日，首款国产量子计算机操作系统——「本源司南」在安徽省合肥市正式发布。该系统由合肥本源量子计算 科技 有限责任公司自主研发，可以实现 量子资源系统化管理、量子计算任务并行化执行、量子芯片自动化校准 等全新功能，助力量子计算机高效稳定运行。

与经典计算机相比，量子计算机在解决很多问题方面都具有先天优势，因此成为各大 科技 巨头重点加码的一个赛道。但与经典计算机一样，量子计算机颠覆性的算力提升也离不开软硬件协同发展，以操作系统为代表的基础软件服务直接影响量子计算机的性能表现。

然而，现有的量子计算机操作系统还存在一些缺陷，如普遍 缺少量子资源管理、多量子计算任务并行处理、量子芯片自动化校准功能 等（例如英国 DeltaflowOS 量子计算机操作系统,、奥地利 ParityOS 量子计算机操作系统）。

在量子资源管理方面，已有的操作系统不能对量子比特资源进行有效分配管理，只允许量子计算机在某一时间段处理一个任务，即使该任务无需使用全部量子比特资源。因此，如果能够实现多量子计算任务并行处理，量子计算机的算力利用效率就可以大大提升。

此外，由于量子系统的脆弱性与不稳定性，量子芯片在运行一段时间后需要进行维护校准，从而保证运行结果的可靠性。然而，已有的量子计算机操作系统不涉及自动化校准，需要人工进行芯片调试校准，耗费大量时间，影响量子计算机运行的长期稳定。

这些问题的存在使得我们难以有效利用当前稀缺的量子计算资源。

本源司南针对这些痛点进行了多方面改进，能够数倍提升现有量子计算机的运行效率，有效提高了量子芯片的整体利用率。

中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿表示：「如果把量子芯片比喻成人的心脏，量子计算机操作系统就相当于人的大脑，量子应用软件则是血肉。」

此外，「本源司南」的研发成功也标志着国产量子软件研发能力已达到国际先进水平。国产量子软件系统架构渐趋完善，对推动量子计算核心技术自主可控、培养用户使用习惯以及量子计算机实用化进程具有重大意义。

首款国产量子计算机操作系统——本源司南

作为中国首款量子计算机操作系统，「本源司南」的发布引发了学界和业界的关注。

具体而言，本源司南操作系统的特点包括：

高效资源管理 + 自动化校准，支持量子计算机高效稳定运行；

研发与应用模式自由切换，满足用户多样化使用需求；

兼容多种量子计算系统，打造通用量子计算机操作系统。

首先，本源司南解决了已有产品无法管理量子资源、不能并行处理多量子计算任务、缺少自动化校准量子芯片等功能缺陷。除了具备经典操作系统的基础功能之外，也带来了高效利用量子计算机资源的解决方案。

针对任务和问题，本源司南的量子资源管理功能不仅支持多量子任务的并行计算与调度，更支持对量子计算机持续不间断的校准优化。尤其是后者，它可以有效控制量子计算机因量子物理特性产生的性能浮动，确保执行任务时，量子计算机处于最佳性能状态。

其次，当前量子计算机主要用于科学研究与 探索 商业化应用，二者的具体需求有别，所使用的量子计算机类型也有所不同。针对不同类型量子计算机的特征和用户需求，本源司南提供应用模式和研发模式的无成本兼容，使量子计算机不仅能为商业用户开发出满足特定应用场景的应用，也能为科研用户提供服务，用于研制更强大的量子计算机。

研发模式是指支持用户基于量子计算机操作系统直接操控一体机及相关设备，以达到调试及优化量子芯片性能指标的目的；应用模式是指支持用户基于量子计算机操作系统运行编码完成的量子程序。

此外，基于当前量子计算硬件系统还未实现技术收敛的发展现状，本源司南可支持多种量子计算系统，能够接入具有多个量子处理器核心的量子计算机高性能工作站，包括超导量子处理器、半导体量子处理器、离子阱量子处理器，或是混合量子处理器。用户只需要通过口令，接入管理员部署的一台经典服务器，即可使用全部功能。

本源司南旨在缩短一台全新量子计算机投入运行的时间，同时支持分布式量子计算和集成量子存储设备的管理服务。基于以上特性，用户只需专注程序设计开发，无需花费时间了解量子计算背后的运行原理。 郭光灿介绍，据研究人员测试，本源司南量子计算机操作系统能够数倍提升现有量子计算机的运行效率 。

本源量子

「本源司南」由合肥本源量子计算 科技 有限责任公司自主研发。本源量子成立于 2017 年 9 月，团队技术起源于中科院量子信息重点实验室，创始人兼首席科学家是中国科学技术大学物理学院教授、中科院量子信息重点实验室副主任郭国平，联合创始人兼科学顾问为中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿。该公司以量子计算机的研发、推广和应用为核心，专注量子计算全栈开发，各软硬件产品。

近年来，本源量子公司先后开发出量子测控一体机、量子计算机「悟源」等产品，并上线 6 比特的超导量子计算云平台。该公司介绍称，此次新发布的量子计算机操作系统，将用在量子计算云平台上，提供给全球用户体验。

目前，「本源司南」已经在本源量子的产品中得到应用。本源量子研发团队利用量子卷积神经网络模型开发出的量子图像识别应用，可将图像识别任务转化为多个量子线路，在经过量子态数据编码之后，这些量子线路就处于排队等待运行状态。通过「本源司南」的统一调度管理，这些量子线路在单个量子芯片上可以被并行执行，不仅大大减少了整体线路运行时间，还有效提高了量子芯片的整体利用率，使得当前有限的量子计算资源得到最大化利用。

本院量子表示，未来，本源量子团队将基于具备完全自主知识产权的本源量子计算机集群、本源司南量子计算机操作系统、本源量子云平台以及丰富的量子软件与应用，打造完善且开放的量子计算服务生态，与量子计算产业链的众多企业一起，共同促进量子计算应用实现，造福人类发展。

参考链接：

http://wwwahxinhuanetcom/2021-02/08/c_1127082245htm

　　中新经纬客户端8月24日电 近年来，全球量子计算领域研究开始步入快速增长期，也成为当前各国高 科技 企业关注的热点领域，量子机器学习的加速效果无论理论上还是实际中都已被初步证实。近日，京东 探索 研究院院长陶大程带领其量子计算研究团队主要成员杜宇轩、钱扬提出全球首个以经典云平台为依托、量子计算设备为终端的量子并行处理框架QUDIO(quantum distributed optimization scheme)，将可实现充分调度现有量子计算资源去求解超越经典计算的大规模任务。

具体来说，QUDIO是由一个经典处理器为中心和多个分布式量子处理器形成的量子云构成的，其中经典计算机作为一个中心节点服务器，将大规模数据进行高效划分并且快速分发到云端的多个量子计算机。每个量子计算机在获取到数据块之后独立处理，同时以一定频率与其他量子计算机进行通信，共享模型参数和处理结果，最后将计算结果返回到经典计算机进行汇总和后处理。整个计算过程完全实现在量子云上完成，经典计算机只负责数据的分发与通信。

据悉，与传统处理框架相比，QUDIO将已有的量子计算机结合起来形成量子云，可以充分利用各个量子资源，加速大规模数据处理，有效地缓解了当前量子计算机性能稳定性较差、处理大规模数据迭代时间过长的困境。当前量子计算机受困于经典量子数据有效转化问题，一次能够处理的数据有限，通过联合多台量子计算机，可以并行处理多条数据。

同时，QUDIO是一种独立于具体量子硬件和协议的框架，具有很强的兼容性，易于扩展到各种光量子计算机、离子阱量子计算机和超导量子计算机，能最大程度地利用现有的量子资源；它利用并行计算和量子计算的加速性能，为自然语言处理、计算机视觉、量子化学、组合优化等领域的大规模问题求解和数据处理提供显著的运行时间优势。

QUDIO相较传统计算还具有耗能低、碳排放量少的优势。随着深度学习的数据规模越来越大、模型越来越复杂，传统处理框架也面临着处理时间长、耗能高的难题。就拿目前的深度学习模型举例，比如BERT预训练模型就需要花费64块GPU训练四天，排放大约1438磅的二氧化碳。如使用QUDIO就可以充分利用量子计算的存储和加速优势，用相较传统计算更少的耗能和碳排放量，为各个行业的智能计算赋能，为大规模 社会 计算的实现提供算力保障，有助于实现碳中和的目标。京东 探索 研究院算法科学家杜宇轩表示，QUDIO将为未来实现以量子互联网为以托、通用量子计算机为终端的全量子云平台打下了坚实的基础。

京东 探索 研究院是以京东集团各事业群与业务单元的技术发展为基础，集合全集团资源和能力，成立的专注于前沿 科技 探索 的研发部门，实现研究和协同创新的生态平台。此前，京东 探索 研究院已经明确将“量子机器学习”“可信人工智能”“超级深度学习”等人工智能的三大领域锁定为研究方向并持续推进创新研究，致力于从基础理论层面实现颠覆式创新，助力数智化产业发展及变革，以原创性 科技 赋能京东的零售、物流、 健康 、 科技 等全产业链场景，打造源头性 科技 高地。

对于最新的创新研究成果，京东 探索 研究院院长陶大程认为， QUDIO所具有的高效计算优势可为智能化 社会 供应链提供实时计算保障，有望打破目前的数据在线采集-信息离线提取的处理模式，提高供应链各个环节的反应速度，有效应对大规模用户请求的集中处理，未来将进一步增强保障京东数智化 社会 供应链服务的可靠性、智能性和快速性。(中新经纬APP)

《zegapain》

未来世界，人类被未知病毒“毒蛇”所杀死，人类全部灭绝，没有被“毒蛇”杀死的人被转换成了量子数据，并把所有数据资料转移到了分散于世界各地的量子服务器，并生活在量子计算机中的虚拟世界，真实世界被名为“世界蛇”的东西所控制，并不断建造实验场破坏地球，在虚拟世界中，有一些人会发现自己是生活在虚拟世界中，称为“引导者”，“引导者”的目标就是为了把所有数据化的人类重新还原到现实世界，成为引导者后，会被传送到“海神号”，成为“枪手”或“术士”并和“世界蛇”对抗。

主角是快活的游泳少年，他在千叶舞浜近郊的高中上学，是个忙碌于恋爱和友情的普通高中生。但是，有一天在神秘的转学生紫雫乃的引导下，被卷入了异世界的巨大机器人的战斗中。于反复的战斗中怀抱着各种疑问，并且苦恼著的京，为了保护自己与同伴而挺身投入战斗之中……

近日，清华大学团队首次实现通信距离达到100公里的量子直接通信新系统，这是目前世界上最长的量子直接通信距离，有助于实现无中继条件下城际量子直接通信。

那么究竟可实现多少公里量子直接通信？

 我国科学家创造量子直接通信最远纪录，可实现 100 公里量子直接通信。

1、现代通信技术的发展，让单一国家进行全球治理提供了可能。

电报的发明，让地球一端的信息传递到另一端只需要几分钟。现在美国总统办公室一个电话，就可以让世界各地任何一个美军基地威胁到周边国家。

2、保护我国数据传送的安全性

量子技术是目前唯一安全性得到严格证明的保密通信方式，在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景。我国量子通信技术已经处于世界领先水平，产业化目前也已经初具规模。意味着中国未来将可以用更少的量子分发服务器和对应的分发中继来完成量子密匙的分发工作，这能让中国在未来有效强化本国量子加密体系的安全强度 

3、为未来星际通话创造了基础

研究成果成功地创造了现场光纤无中继量子密钥分发距离的新世界纪录，超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继量子密钥分发所限定的成码率极限。证明了在实际环境中双场量子密钥分发的可行性，为远距离光纤量子网的实现铺平了道路。

 后记：随着中国量子密匙的传输逐渐得到进步，未来中国将能把量子密匙分发到全国，甚至全球各处，构建出一张保护中国网络安全的防护大网，并且最终实现全球范围内的中国量子通讯网络安全体系。