摘要：一家名为量子电路（Quantum Circuits, Inc.）的公司，联合图形处理器巨头NVIDIA，将NVIDIA的CUDA-Q编程能力集成到了自家的Aqumen软件套件中。

一家名为量子电路（Quantum Circuits, Inc.）的公司，联合图形处理器巨头NVIDIA，将NVIDIA的CUDA-Q编程能力集成到了自家的Aqumen软件套件中。

这次合作是CUDA-Q头一回跟带有错误检测功能的双轨编程环境“牵手”，为量子计算从实验室的“理论派”走向市场的“实干派”，铺上了一条公路。

先修路再跑车，量子计算来了个“实干派”

学术氛围浓厚的耶鲁大学，几位应用物理系的大神，包括被誉为“量子计算之父之一”的斯特林教授罗伯特·舍尔科普夫（Robert Schoelkopf），决定做一件不一样的事。舍尔科普夫教授在超导量子计算领域的地位，可以说是开山鼻祖级别的人物，他的研究为我们今天看到的量子计算机奠定了坚实的基础。他们创立了量子电路公司 (QCI)，希望将实验室里的前沿理论，变成能解决实际问题的商业工具。

如今掌舵这家公司的是总裁兼首席执行官雷·斯梅茨（Ray Smets），一位在高科技江湖闯荡多年的资深领导者。在他的带领下，QCI成功地从一个学术气息浓厚的研究机构，转型为量子计算领域的商业先锋。

他们最与众不同的一点，就是那句听起来有点“反潮流”的技术口号：“先纠正，后扩展”（correct first, then scale）。当整个行业都在疯狂堆砌量子比特数量时，QCI的团队却冷静地指出，量子计算最大的拦路虎其实是“错误”。一个量子比特，就像一个极度敏感又脆弱的艺术家，一点点风吹草动都可能让它“演砸了”。如果不先解决这个根本问题，就算你有再多的量子比特，也只是建了一座华丽但摇摇欲坠的沙滩城堡。所以，他们的策略是，先把地基打牢，把路修好，再去考虑上面能跑多少辆车。这个务实的理念，最终催生了他们的核心技术——双轨量子比特（Dual-Rail Qubit）。这项技术自带错误检测功能，为量子计算提供了一条更稳健、更高效的扩展路径，可以说是一项足以改变游戏规则的创新。

给量子比特上个“双保险”，这操作有多秀？

那么，这个听起来很厉害的“双轨量子比特”到底是个什么东西？你可以把它想象成一个精巧的逻辑子系统，而不是一个孤零零的物理单元。它的设计基于超导电路量子电动力学（circuit-QED）原理，由软件和控制系统精密协调，来实现高保真度的量子操作。

我们来拆解一下它的内部构造：

首先，它有两个超导谐振器，也叫“腔”。这两个腔通过一个“耦合器”连接在一起，是编码量子信息的主力。规则很简单：如果一个微波光子在顶部的谐振器里，那量子比特的状态就是0；如果光子在底部的谐振器里，状态就是1。

其次，还有一个超导量子比特（transmon），它连接着其中一个谐振器和测量设备，专门负责执行最后的“读数”操作。

这个设计的绝妙之处在于它处理错误的方式。传统的量子比特，最头疼的错误是比特翻转（0变成1）或相位翻转，处理起来非常复杂。而双轨量子比特最主要的错误类型，是单个光子的丢失。这种错误有个专门的名字，叫“擦除错误”（erasure errors）。打个比方，传统错误就像试卷上的一道题你做错了，你不知道正确答案是什么；而擦除错误就像这道题的答案被墨水弄脏了，虽然你不知道答案，但你明确地知道“这里出错了”。显然，后者处理起来要简单得多。

QCI的联合创始人舍尔科普夫教授和他的团队，曾在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表论文详细阐述了这一点，他们指出：“双轨腔量子比特表现出有利的错误率层次结构，并且预计在今天的相干时间下表现远低于相关的量子错误纠正（QEC）阈值。”

说白了，就是这种设计天生就更容易纠错。基于这个特性，QCI提供了三大“杀手锏”功能：

首先是量子错误检测（Quantum Error Detection, QED）。这个功能是硬核地内置在硬件里的，能实时发现量子比特的错误，特别是那种最常见的光子丢失错误。这大大降低了传统量子纠错所需的巨大资源开销，算法性能自然也就上去了。

其次是实时控制流（Real-Time Control Flow, RTCF）。这让量子计算机有了“思考”的能力。它可以根据一次测量的结果，实时决定下一步该干什么，实现了经典计算和量子计算的深度融合。像条件分支、循环这类高级操作，都成为了可能。

最后是错误检测处理（Error Detection Handling, EDH）。当系统检测到一个错误后，它不会假装无事发生，而是通过一种“后选择”技术，将这些出错的事件从最终数据里剔除。所以，你得到的结果除了0和1，还可能有一个“*”，告诉你“嘿，这次计算可能出了点小状况”。这为开发者探索新算法提供了全新的工具。

有了这些“神兵利器”，双轨量子比特系统的性能自然是鹤立鸡群。我们来看一组对比数据：

表：双轨量子比特系统与传统量子比特系统的性能对比

正如QCI的产品负责人安德烈·彼得连科（Andrei Petrenko）所说：“量子电路公司的‘先纠正，后扩展’方法为开发量子应用提供了务实的方式。通过内置错误检测功能，在硬件上实际运行之前探索、原型化和模拟量子应用，可以提高效率。”

当“纠错大师”遇上“加速引擎”，会擦出怎样的火花？

有了这么牛的量子技术，还需要一个同样强大的生态系统来让它发光发热。这时候，NVIDIA的CUDA-Q就登场了。CUDA-Q是一个开源的量子开发平台，它的定位非常清晰：做量子计算和经典高性能计算之间的“超级连接器”。它是一个量子处理单元（QPU, Quantum Processing Unit）不可知的平台，这意味着它不挑剔硬件，目标是协调运行大规模量子应用所需的各种软硬件资源。

它的混合编程模型允许开发者在一个程序里，同时调动GPU、中央处理器（CPU, Central Processing Unit）和QPU的算力。

CUDA-Q的厉害之处在于，它不仅让混合编程变得简单，而且在量子硬件还不够强大的今天，它能利用GPU强大的算力来加速量子模拟。根据NVIDIA的数据，这种加速效果是惊人的：

表：CUDA-Q性能基准测试结果

NVIDIA量子与CUDA-X高级总监蒂姆·科斯塔（Tim Costa）的观点一针见血：“混合量子-经典系统正在绘制有用量子应用的路径，而CUDA-Q处于领先地位。我们与量子电路公司的合作将加速计算的力量与他们的量子处理器结合起来，使研究人员能够首次开发利用双轨超导量子比特的混合应用。”

现在，我们把这两位“高手”放在一起：QCI，这位“纠错大师”，拥有目前最稳健、最可靠的量子比特技术；NVIDIA，这位“加速引擎”，拥有连接量子与经典的强大平台。它们的结合，就是将QCI的Aqumen软件套件与NVIDIA的CUDA-Q编程能力深度整合。

开发者现在可以通过Aqumen，使用CUDA-Q来编写量子应用。这些应用可以在QCI强大的AquSim模拟器上进行原型设计和测试。这个模拟器可不一般，它能真实地模拟双轨量子比特的错误动态和实时控制流，让你在真正上机运行前，就对程序的表现心里有数。

而未来的规划更加激动人心：CUDA-Q应用程序将直接在QCI的旗舰硬件Aqumen Seeker以及后续的新一代QPU上运行。这意味着，开发者将能真正驾驭这种自带错误检测的双轨量子比特的强大威力。

对于那些迫不及待想要尝鲜的用户，QCI还推出了一个“战略量子发布计划”，提供早期访问、技术支持和合作开发的机会。

QCI的首席执行官雷·斯梅茨对此充满信心：“我们与NVIDIA的合作加速了商业就绪量子计算的路径。我们希望向企业和高性能计算（HPC）应用开发者介绍一种新的方式来集成量子计算和CUDA-Q应用程序，这些应用程序由我们新颖的具有内置错误检测的双轨量子比特增强。”

一场量子计算的“商业化革命”，已经悄然打响

这次合作，它可能会推动行业技术标准的演进。同时，这种深度融合的量子-经典混合计算模式，也得到了最有力的验证和推广。

它加速了量子计算的商业化进程。现在，有了更可靠的硬件和更成熟的开发平台，应用场景正变得触手可及。

许多顶尖机构已经在使用CUDA-Q探索这些前沿领域。例如，多伦多大学用它来生成新的量子算法，中原大学开发了用于太阳能预测的量子神经网络，耶鲁大学则将其应用于分子生成。QCI的加入，无疑将为这些研究注入更强大的动力。

一个清晰的信号已经发出：量子计算正在告别那个只谈论潜力的时代，开始一步步兑现它的承诺。

参考资料

来源：算泥社区