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 Deltaflow.OS 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://www.ah.xinhuanet.com/2021-02/08/c_1127082245.htm

一台300量子比特的计算机就可以容纳人类有文明以来到现在的所有东西，而且在量子领域有多东目前已经超出了人类的认知范围，你就说这玩意儿厉不厉害吧？所以爱因斯坦那句话形容的非常贴切，说这玩意老厉害了啊!咱说这个量子计算机为什么这么牛，正是因为量子的两个特性：一个是量子的叠加、一个是量子的纠缠态，你咋一听这两个字好像挺过瘾，但是世界上所有的科学家一提这两个字没有脑瓜子不疼的！所以说啊，今天你听听我跟你唠唠这个事儿啊！

首先什么叫量子？其实就是物理量里面最小的那个单位，就像原子电子这些小到不可分割的，就叫量子。那什么叫叠加态呢？说到叠加态，你就不得不提那个大名鼎鼎，颠覆人类认识的实验——双缝干涉。

以前这个科学家一直在争论一件事，就说这个光他到底是波还是粒子，大家各有各的说法，所以说最后决定用这个实验来验证一下，就是整一个挡板上面留两道缝，然后后边是一堵墙，如果是波的话，大家上学时候都学过，当这个波通过这个挡板的两条缝之后，会在后面形成两道波对吧，这两条波，互相干涉，就是波峰跟波峰叠加在一块儿，这个波峰会更高，形成一条亮线，然后这个波谷跟波谷叠在一块儿呢，会更更暗，啥玩意都没有，结果就是一明一暗一明一暗，形成一条斑马线，但是如果是粒子，就不一样了，就像一把枪，突突突，就是把散弹枪一样，那么肯定从右边这个缝过去的时候是一道线，左边这个缝过去的又是一道线，那应该是两道线。

这实验就是把散弹枪换成一把光子枪，就是把光最小的单位，光子的形式给你突突出去，按正常来讲，你打到后面其实就和彩弹枪一样，就应该两条线。但是，这个怪事就开始了，你突突完了之后，后面就给你打出一条斑马线，完事这科学家自个还在解释，肯定是这个光子打过去之后来回跑，然后来回蹦，蹦出这一墙斑马线了。这次给它调成点射，一枪一枪来，这就没得碰了，而且还好压枪。

结果万万没想到就一枪一枪点，点完了还是一条斑马线，所有人眼珠子溜直。我就不信这个邪了，我就非得看看，这一枪一枪，怎么就能点出个斑马线来，这个挡板前面就给你加了个电子眼检测镜头，这一看不要紧，所有的认知都被颠覆了，眼睁睁看着这光子一个一个从这个缝里面打过去，后边墙上他就是两条线，对吧！

所以说科学家说，我就说刚才这个实验做的肯定有问题，话还没说完，这个时候后面又变成了斑马线。我去，别说科学家了，我第一次听这个双方干事实验，我都崩了。这和我上学收手机不一样吗？老师观测我的时候我就在这学习，他不观测我的时候，我就在这儿玩儿，我多聪明呀，粒子是何德何能啊！死心的，木有生命，它脑子比我还聪明吗？所以目前为止我们只能理解为这个就叫量子的叠加态，它既是波，又是粒子，它自旋方向，既朝这边，又朝那边，它的位置，既在这儿，又在那儿，当我们不观测它的时，它这些状态，就像迷雾一样，混沌般的集合在一起，但是当我们观测它的一瞬间，其他的状态，瞬间就坍塌了，坍缩成目前你观测的这种状态。

咱再说说这个量子的纠缠态，两个量子，如果相互作用的话，那它就会发生关联，然后你把发生关联的两个量子，其中一个你拿火箭给他送到天上去，有多远，你送多远，哪怕送冥王星，然后你回过头观测其中一个，这个时候你观测的这个量子就会发生坍缩和变化对吧？比如说他是个电子，你看到它的自旋方向是向左，那个同时也会发生坍缩和变化，而且坍缩成向右旋转，来和这个向左旋转的进行呼应，并且这种变化和呼应是同时发生。比光速还要快。所以这个就叫量子的纠缠态，这也是量子计算机为什么这么牛，他的算力和储存能力是现有计算机的上万亿甚至上亿万亿倍，就是因为量子的这两个特性。

但现在用这些计算机呢靠的是晶体管的运算，所以说计算机的逻辑运算和语言只有1和0，就像刚才我说这点话话，咱可以用这个拼音字母一串给它表现出来，但计算机就要用一长串1和0，给他拼出来，你计算和表达的方式越复杂，你需要的，这个0和1，就越多，你需要的晶体管儿也多，所以说现在一块儿计算机芯片上能有多少亿个晶体管，但是量子比特，就不一样了，他有叠加态呀，它即使0又1，如果有三百个这样的量子比特，他们如何能表达出来的数据相当于多少个晶体管，你知道吗？相当于二的300次方个这个数有多大呢？你可以上网查也可以拿计算器按，但是我该跟你打赌这个数你看着它以后，你念不出来，因为你他就大到超出你的理解范围，但是我可以帮你形容一下。比如一张A4纸，它的厚度是0.1毫米，如果能把它对折100次的话，那么它的厚度就是0.1×2的100次方毫米。

想象一下啊！这个高度有多高，但是不管你说多高，我都说不好意思你想错了，你可以拿A4纸试一下啊！我折了几次，我折不动了，如果能继续折，折满十次的话基本就是10厘米左右，但是折到24次，多高？105米，三四十层楼，那么高1但是你折到30次多高呢？7100千米，臭氧层都干破了，如果你折到50次了，1.1亿千大连到金兴一个来回啊，抱团走不打表。

如果折到90次了，1500万光年，银河系直径的100倍。如果折满100次激动人心的时候到了兄弟们，137亿光年，宇宙大爆炸到现在总共才137亿年，就说有宇宙那天，光就开始跑到现在没跑到头，宇宙给你干了个透心凉，但是你别忘了，他前面还乘了个0.1毫米啊，但看，2的100次方比这个数还要大十倍，而且，在这个数字基础上往后翻一直翻到300次方，你瞅这个数有多大，我都不敢想，我脑瓜疼了，所以我才说，有人类文明以来，所有的可观测宇宙，这个计算器她都能存得下，因为它足够大，你看有很多科幻题材电影，像那个《黑客帝国》他就觉得人类很可能就活在一个庞大的计算机程序的啊！

新华社合肥12月4日电题：里程碑式突破！——潘建伟团队解说“九章”量子计算机

在一个特定赛道上，200秒的“量子算力”，相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力！12月4日，《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。

这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机，推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路，但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。

（小标题）算力新高度 技术三优势

“量子优越性”——横亘在量子计算研究之路上的第一道难关。

这是一个科学术语：作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛。

去年9月，美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天，因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。

近期，中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

“取名‘九章’，是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。”潘建伟说。

实验显示，“九章”对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度，比目前世界最快的超算“富岳”快一百万亿倍，从而在全球第二个实现了“量子优越性”。

高斯玻色取样是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时，“九章”需200秒，而目前世界上最快的超级计算机“富岳”需6亿年；当求解100亿个样本时，“九章”需10小时，“富岳”需1200亿年。

潘建伟团队表示，相比“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。“悬铃木”需要零下273.12摄氏度的运行环境，而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”在小样本和大样本上均快于超算。

“打个比方，就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算，长跑跑不赢；我们的机器短跑和长跑都能跑赢。”他们说。

（小标题）20年努力攻克三大技术难关

对于“九章”的突破，《科学》杂志审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

多位国际知名专家也给予高度评价。“这是量子领域的重大突破，朝着研制比传统计算机更有优势的量子设备迈出一大步！我相信成果背后付出了巨大的努力。”德国马克斯·普朗克研究所所长伊格纳西奥·西拉克说。

美国麻省理工学院教授德克·英格伦认为，这是“一项了不起的成就”“一个划时代的成果”。

加拿大卡尔加里大学量子研究所所长巴里·桑德斯说，毫无疑问，这个实验结果远远超出了传统机器的模拟能力。

据了解，潘建伟团队这次突破历经了20年努力，从2001年开始组建实验室，他们曾多次刷新量子纠缠数量的世界纪录。“九章”的突破，主要攻克了三大技术难关：高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术。

其中的高品质量子光源，是目前国际上唯一同时具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源。“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一个水分子非常困难。”中科大教授陆朝阳说，高品质光源要保证每次只“放出”1个光子，且每个光子要一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要控制在10的负9次方以内，相当于传输一百公里距离，偏差不能超过一根头发丝的直径。

此外，为了核验“九章”算得“准不准”，他们用超算同步验证。“10个、20个光子的时候，结果都能对得上，到40个光子的时候超算就比较吃力了，而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳说，另一方面，超算的耗电量太大，计算40个光子时需要电费200万元，41个光子需要400万元，42个光子需要800万元，推算下去将是天文数字。

（小标题）“算力革命”跃马人类未来

当前，量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点。比如近期，欧盟宣布拟投资80亿欧元，研究量子计算等新一代算力技术。

“量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域，提供比传统计算机更强的算力支持。”潘建伟说。

据了解，国际主流观点认为，量子计算机的发展将有三个阶段：

第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。

第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等。

第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。

目前，“九章”还处在第一阶段，但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。

潘建伟团队表示，“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力。下一步，他们将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究。

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