近日，深圳量旋科技有限公司（SpinQ）以核磁共振为物理平台，发布了内置2比特的桌面量子计算仪器原型机，重量不超过60kg，给公众呈现可放置在个人桌面的量子计算仪器。该原型机提供了演示量子计算原理以及实现各种自定义量子算法的功能，展示了在小型核磁谱仪上进行量子计算的可行性，对量子计算的普及化具有先导性作用。
量旋科技（SpinQ）是一家致力于量子计算机商业化和普及化的高科技公司，由深圳量子科学与工程研究院（SIQSE）孵化，已完成策源创投领投、明势资本跟投的天使轮融资，团队由多名来自于清华大学、中国科技大学、南方科技大学以及加拿大滑铁卢大学的量子计算领域的专家创立。
桌面型量子计算仪器SpinQuasar第一代概念图
图1 SpinQuasar桌面端软件主界面
如图1，该原型机配置的桌面端量子操控软件主要包括初级（内置案例学习）、进阶（自定义量子线路）、量子知识点介绍以及量子游戏和量子论坛模块。
初级（内置案例学习）：内置了多个量子计算的算法实例以及案例讲解，包括计算初态、Bell态和Deutsch态的制备、比特寿命测量、以及Grover搜索算法、DJ算法等。
进阶（自定义量子线路）：用户可运用不同的量子操作门模块进行组合，执行用户自定义的算法，如图2和图3。
量子知识点介绍：给用户提供入门级的量子计算相关介绍。比如量子比特、量子操作、量子算法、量子测量以及量子计算机的概念学习。
量子游戏和量子论坛：公司目前正在开发这两个模块，希望用户能够通过玩游戏的方式理解量子计算的规则，丰富学习量子计算的乐趣；用户也可在量子论坛模块进行反馈和交流，我们有资深的量子计算专家团队坐镇。
SpinQuasar对操作过程和结果进行形象具体的展示，帮助用户实时了解量子态演化过程，降低用户学习量子计算的门槛以及提高使用量子计算仪器的体验：
两比特情况：如图2下半部分，展示底层控制脉冲序列、内置样品响应动态、密度矩阵在逻辑门操作下的演化动态以及投影测量概率等；
单比特情况：如图3下半部分，则采用Bloch球的方式可视化系统演化的轨迹。
图2 SpinQuasar客户端“自定义量子线路”界面（两比特）
图3 SpinQuasar客户端“自定义量子线路”界面（单比特）
产品特点和定位：公司推出的该原型机可携带，也可置于桌面，具有体积小、门槛低、稳定性好等独特的优点。原型机包含了量子计算的所有元素，并且操控简单，因此非常适合于高校、中学等场所的量子计算教学，目前清华、中科大以及南科大等高校的多名在校学生使用SpinQuasar获得了量子计算的初步体验。在桌面型设备上实现通用量子门集合（即单比特门和两比特门的组合）意味着桌面量子计算机还可以成为公司、高校、研究院所开展量子计算科研的实验平台，已与平方创想教育科技（北京）有限公司达成了就量子夏令营的合作协议。该原型机的发布，展示了小型仪器具有进行量子计算的巨大潜力，将在量子计算普及化中扮演重要的角色，未来希望能够将仪器进一步小型化。
联合发布可开放控制层的PCloudQ
此前，量旋科技SpinQ还与深圳量子科学与工程研究院合作，联合发布了世界上首台开放控制层的核磁共振量子计算云平台PCloudQ（ http://quantumworld.sustc.edu.cn/）。该平台（简称PCQ）具有四个量子比特，不但具有当前世界上大多数主流量子云平台所提供的功能，还是国际上首个开放控制层的量子计算云平台。除了提供给用户基本的量子逻辑门，包括任意角度的单比特旋转和两比特控制非门（CNOT）、交换门（SWAP）等以外，PCQ还开放了底层控制层，即允许用户自主设计量子控制脉冲形状。量子计算控制层的核心是对系统控制脉冲的设计与优化，其中需要综合考虑时间优化、减少系统误差、抵抗环境噪声等问题，对控制层的开放，使得用户可以从更基本的层次理解实际量子计算体系的运行规则。
图4 PCloudQ开放底层控制界面
核磁共振量子计算原理
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）最早由Purcell 和Bloch 在1946年发现： 在外磁场下，样品中的磁性原子核产生极化，吸收电磁波能量后在不同能级间发生共振跃迁，进而产生共振吸收和发射信号。核磁共振有广泛的应用，例如：研究液态、固态分子的动力学性质；确定分子结构；利用磁共振成像技术判断人体病灶等。在量子计算方面，核磁共振是重要的实验平台。在1997年，Isaac Chuang等人利用核磁共振第一次成功实现了量子计算。时至今日，核磁共振系统也是演示量子算法最多的平台。
在核磁共振量子计算中，量子比特为静磁场中的核自旋。自旋向上和向下的两个状态是比特的0和1。单比特量子门操作由射频电磁波实现。射频电磁波的频率和核自旋在静磁场中的拉莫频率相同，用以控制核自旋在0态和1态之间的变换。不同核自旋的进动频率不同，从而可以实现对单比特的独立操控，即可寻址。两比特量子门操作是利用不同核自旋之间天然存在的磁耦合结合射频电磁波来实现的。通过单⽐特逻辑门与两⽐特逻辑门的组合可以实现任意量子算法。量子算法的运行结果蕴含在系统演化的末态中，可以通过采集系统磁化矢量的进动在探测线圈中产生的感应电流信号来推断出系统所处的状态。清华大学、中国科技大学、南方科技大学以及加拿大滑铁卢大学在核磁共振量子计算领域处于世界领先地位，然而这些世界领先的实验室均在核磁共振量子计算中使用大型超导磁体，H核的频率均在几百兆赫兹量级。这些大型超导磁体具有实验条件苛刻（需要液氦液氮）、体积大、维护费用高等特点，并不适合量子计算的商业化和普及化。
图5 Bruker公司1.0GHz核磁共振谱仪，若要安置一台这样的超导磁体核磁共振谱仪，实验室的天花板高度需要三米以上。
关于量旋科技（SpinQ）
量旋科技SpinQ提出将量子计算机桌面化的目标：打造尺寸小、重量轻、可在室温下工作、成本低、易维护、以及操控简单、容易理解的小型量子计算仪器。和超导核磁共振谱仪不同，小型核磁共振谱仪基于永磁体和集成电路的技术，能满足上列的多个要求。截至目前，量旋科技SpinQ将商用的永磁体小型核磁共振谱仪进行改造，使得其满足核磁量子计算机的要求：具有任意脉冲序列生成功能以实现任意的量子算法；精准时序控制能力，以同时精确控制多个比特；较高的磁场均匀度，以获得较长的量子态寿命等。在改进硬件的同时，还开发了相应的量子控制与应用软件。硬件与软件结合，实现了内置2个量子比特的桌面量子计算原型机。该原型机不但可以演示量子态、量子叠加、态演化等基本量子力学概念，同时可展示量子计算机的基本原理，演示量子计算各种算法。
量旋科技SpinQ将继续致力于核磁共振桌面量子计算机的自主研发，包括磁体的小型化、磁场均匀度的提高、控制电路的集成化等。结合PCQ的经验，公司还将推出基于其他平台的通用量子计算云平台，以推动量子计算的科研、教学、普及和商业化。希望在不久的将来，桌面量子计算仪器能进入千家万户。
