量子OS：操作系统的新征程

出品  光子盒研究院

上周，量子计算机向可访问和可应用性迈出了一大步，总部位于剑桥的量子计算软件开发商Riverlane牵头的财团已从英国政府的产业挑战战略基金(Industrial Challenge Strategy Fund)获得760万英镑（约合6532万RMB）的拨款，用于开发和部署高度创新的量子操作系统。

目前参与此次研发工作的包括Riverlane公司，量子硬件公司SeeQC，欧洲日立公司，Universal Quantum公司，Duality Quantum Photonics公司，牛津离子学公司和牛津量子电路公司（OQC），以及英国的芯片设计公司ARM和国家物理实验室。

量子计算机OS即将面世？

该操作系统命名为Deltaflow.OS，将允许相同的量子软件在不同类型的量子计算硬件上运行。Riverlane公司自2019年7月以来，一直在致力于Deltaflow.OS的开发工作，目前已经开发出了一个内部原型，预计2020年9月份将正式对外发布仿真器原型。

Riverlane使用牛津量子电路的硬件开发了软件

Deltaflow.OS将是同类量子计算机操作系统中的第一个。虽然竞争对手通常将量子计算机描述为“黑匣子”，与其他领先的方法相比，Deltaflow.OS公开了整个量子计算堆栈的不同元素，这使用户能够以最优的方式调度任务，将量子计算机的性能提高了数量级，一旦硬件和软件紧密结合，性能有望进一步提高。

根据Riverlane对外公开的信息，Deltaflow.OS是一种全新的量子计算机操作系统。作为混合系统，量子计算机包含经典和量子计算元素，这些元素必须经过编排才能获得最佳性能。这对于量子化学等短期应用是至关重要的。从长远来看，量子纠错需要量子计算和经典计算的紧密结合。

受异构体系结构的启发，Deltaflow.OS允许量子程序员访问量子计算堆栈中的所有元素，这使量子程序员能够最优地编排堆栈，与其他量子计算模型相比，性能提高了1000倍。Deltaflow.OS满足两个重要的客户需求：软件对任何量子硬件的可移植性，以及使用所有可用量子功率的最佳堆栈性能。

参与此次联盟的这些公司可以联合发展他们的技术，并为他们的量子处理器开发固件，这些处理器未来将与Deltaflow.OS接口。ARM公司将为Deltaflow.OS开发特定的控制系统模拟器，而RiverLane将领导开发数据流框架、运行强大的量子应用程序。

日立欧洲公司正在开发一种基于微处理器技术的量子计算机，就像在笔记本电脑、汽车和手机中找到的那样。Deltaflow.OS可以给日立提供一个完整的堆栈解决方案，帮助解决计算挑战。

牛津量子电路公司认为，通过使OQC的堆栈与Deltaflow.OS兼容，他们正在建立一个新的标准化量子生态系统。英国优先建立这种兼容性，是确保尽可能广泛使用我们联盟技术，并向新的参与者开放这个生态系统，创造额外的商业机会的关键一步。

量子计算机OS会是什么样？

就像普通计算机需要操作系统一样，量子计算机也需要操作系统。但是，没有Windows，IOS或Linux的量子版本。如果没有操作系统，计算机的实用性将大大降低。通过自动执行任务调度和资源分配（例如内存和磁盘空间），操作系统简化了计算机的使用，因此每个人都可以从中受益。

图片来源：RiverLane

就像人类第一台电子计算机一样，第一台量子计算机也一定是昂贵、笨重而且运行速度迟缓的机器，量子最明显的应用是将打破传统的密码体系。随着时间的推移和技术的进步，现代化的操作系统可以为经典计算硬件提供硬件抽象，虚拟内存和分时，使经典计算机更简易，更安全，更普及。

如果我们幸运的话，量子计算机也应当如经典计算机一样的发展路径，因此，我们也迫切需要量子计算机操作系统，使量子计算机这些新的和我们不熟悉的设备更容易，更安全，更快普及更易使用。

操作系统的设计与计算机架构密切相关，量子计算机架构的特殊性决定量子操作系统的设计方案。

设计量子计算机这种新型的操作系统，需要关注以下几个问题:

•量子操作系统能有什么新的抽象概念提供给程序员？

•量子计算机的能力如何提高经典软件系统的性能？

•分布式量子计算机系统什么样的新功能？

量子计算机将由经典的处理器通过经典总线连接到量子处理器现场可编程门阵列，简称 QFPGA。

像传统的 FPGA 一样，QFPGA 本质上是一个连接到经典 CPU 的外围设备。QFPGA由量子逻辑块(QLBS)和量子路由通道(QRC)组成。QLB用来实现一个小量子逻辑，而QRC是为了更大的逻辑实现而适当地组合它们。QFPGA中有两种总线，一种是QLB中的本地总线，另一种是QRC中的全局总线，它们分别在z轴上产生集群状态和一般的多比特旋转。然而，对于Grover算法和n-量子位量子傅里叶变换等应用，可以分别为四位相移模块和四位量子傅里叶变换配置一个QLB。

图: 连接到量子 FPGA 的经典处理器。经典处理器对 QFPGA 进行了编程和描述量子电路 c: {0,1}n → {0,1}N。中央处理器可然后发送输入 xi ∈{0,1}N的输出 c (xi)量子电路应用到 xi

为了使用 QFPGA，操作系统首先编造一个量子环路来实现它的计算，量子电路很像经典电路布尔电路，只不过它使用了基本量子门(例如，Toffoli 和 Hadamard 门) ，而不是常规逻辑门(AND，OR，NOT)。然后操作系统通过经典总线发送信号，将量子电路 c 传递给 QFPGA。一旦与 c 电路编程，CPU 可以输入 xi发送给 QFPGA。这样，一个经典的控制单元将在 QFPGA 上编排量子计算，将每个量子门应用到 QFPGA 的状态寄存器，然后，QFPGA 将发送带有输出应用 xi 的c (xi)电路给 CPU。并且，输入 xi 和输出 c (xi)都是经典的位字符串。

哪些公司在开发量子操作系统？

总部位于以色列特拉维夫的量子计算初创公司Quantum Machines（QM）于2019年11月份募得550万美元的天使轮投资，此次融资由以色列风险投资公司TLV Partners领导，Battery Ventures跟投。

Quantum Machines成立于2018年，由Itamar Sivan、Yonatan Cohen和Nissim Ofek三位在量子计算和量子电子领域耕耘已久的物理学博士创立。这三位创始人曾在耶鲁大学、华盛顿大学、牛津大学和巴黎高等师范学院，进行量子计算技术研究，范围覆盖超导量子位元、金属纳米线、量子光学和原子钟等。

Quantum Machines致力于研发量子架构的操作和控制层，希望建立一个完整的量子堆叠，以便将传统计算机和量子计算机结合起来，该方法考量了两者之间需要应用协同工作的假设，将能做到同过传统软件层，把算法传输到量子处理器上执行。

Quantum Machines正在开发量子计算机的操作和控制系统，包括硬件和软件，其下一代量子控制器，可以将量子算法转换成脉冲序列。

量子计算机的未来如何？

5月19日，美国众议院众议员摩根.格里菲斯提出的一项新法案——《推进量子计算法案》(h.r. 6919)，将责成能源与商务委员会、科学空间与技术委员会和外交事务委员会，进行一项量子计算研究，以概述量子计算技术的经济效益，并确定和降低投资风险。

这项立法将进行四项调查，这些调查将有助于确定“量子计算对美国企业进行州际贸易的影响” 这些调查将包括：

1、对参与量子计算研发的实体进行调查，以确定哪些行业部门开发和使用量子计算；确定哪些公私机构参与量子计算；确定行业部门如何促进量子计算；为美国企业提供该技术的利弊。

2、关于联邦活动的调查，该调查将确定对发展量子产业具有管辖权的机构；确定机构间的量子产业相关活动；描述与量子产业相关的联邦机构的管辖权；确定每个联邦机构执行的规则、条例、准则和政策要点。

3、一项对10到15个国家的国际调查，比较他们的国家量子战略。

4、评估量子计算市场和供应链的安全风险；审查外国政府利用供应链脆弱性的能力；查明市场和供应链中新出现的风险。

在过去的几年里，我们已经看到量子计算机的飞速发展。

2019年10月，谷歌在《自然》杂志150周年纪念特刊上，宣布实现量子计算的“关键里程碑”：最新的拥有53个超导量子比特的Sycamore 处理器，可以在200 秒内运行全球最强的超级计算机Summit耗时 1万年才能完成的计算，实现了“量子霸权”（Quantum Supremacy）。《自然》也评价称，这是量子计算机第一次击败全球最好的传统超算，实现了全球顶尖物理学家多年来探索的目标。

IBM在1996年就开始研发量子计算机，2016年发布第一款5量子比特的量子计算机。2018年推出20量子比特的IBM Q量子计算机，不过这还不够，要实现“量子霸权”的目标至少需要50量子比特，才能够显示出量子计算机的特有性能。

此外，许多初创企业正朝着量子计算机技术的商业化努力，NIST 正在为“后量子”密码系统产品和产业化制定标准。包括谷歌和微软在内的巨头们正在采取行动，保护他们的系统免受未来的对手使用量子计算机进行攻击，众多企业都一致认为，量子电脑较大可能在未来二十年内大规模使用。

美国在2020年以来多个措施加大对量子计算领域的投入，特朗普政府在2021财年的预算中，较大幅度增加了用于未来科技的研究资金：比如“人工智能(AI)、量子信息科学(QIS)、先进通信、生物技术和先进制造业”。

量子计算在IBM和谷歌的硬件，以及Riverlane等公司的OS和软件的基础上，逐渐去构建如经典计算机一样的生态系统。

仿佛是历史的重演，技术上拥有先发优势的美国，在传统计算机时代主导操作系统整整半个世纪。早在20多年前，中国已经清晰地认识到国内信息产业“缺芯少魂”，芯是处理器，魂是操作系统。国产操作系统竞争力羸弱，归根结底是生态的缺失。

面对未来的量子计算时代，虽说英美各国有先发优势，但中国也有了大量的技术积累，唯一欠缺的是生态构建。好在量子时代的操作系统仍在起步阶段，没有任何一方掌握了绝对话语权。

对中国而言，是时候开启操作系统的新征程了。

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。