打破“量子無(wú)用”謬論，一文讀懂量子計(jì)算為何如此重要

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）說(shuō)起量子力學(xué)，與相對(duì)論同樣為20世紀(jì)初所誕生的新興學(xué)科，并且人類過(guò)去一百年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，基本依賴于消化量子力學(xué)。當(dāng)然方式比較單一，通常是由量子力學(xué)到新材料，再由新材料到各類應(yīng)用技術(shù)，比如半導(dǎo)體材料導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)誕生。

而量子計(jì)算則是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，它與現(xiàn)有計(jì)算模式完全不同。就在8月25日，百度正式發(fā)布了集量子硬件、軟件平臺(tái)、量子應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)級(jí)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”，并據(jù)此形成了全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體化解決方案“量羲”。實(shí)現(xiàn)了量子芯片到量子應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，從而讓量子從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。

為什么要發(fā)展量子計(jì)算

盡管對(duì)于大多數(shù)人而言，量子技術(shù)距離普通人生活過(guò)于遙遠(yuǎn)，但相關(guān)技術(shù)已經(jīng)對(duì)人們的生活影響深遠(yuǎn)。比如芯片的發(fā)明與量子技術(shù)密切相關(guān)，芯片中主要依賴晶體管搭建而成，而一顆芯片中往往包含上百億晶體管，在如此小的空間內(nèi)集成如此多的晶體管，已經(jīng)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)解釋現(xiàn)象了。

此外，包括材料學(xué)、化學(xué)、固體物理、核物理的理論基礎(chǔ)都來(lái)自量子力學(xué)，現(xiàn)代科學(xué)的核心科技，大半都與材料有關(guān)，可見量子力學(xué)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)的貢獻(xiàn)之大。

但除此之外，量子理論卻很少被直接應(yīng)用，否則根據(jù)量子力學(xué)的原理，瞬移、分身、穿墻等神奇操作都能實(shí)現(xiàn)。

另一方面，在理論物理上，人類已經(jīng)停滯了許久，劍橋大學(xué)物理學(xué)家尼爾·圖羅克表示，從1970年以后，所有的物理理論工作都還沒有產(chǎn)生一個(gè)成功的語(yǔ)言。即便是上帝粒子與引力波的驗(yàn)證，也都是上個(gè)世紀(jì)的理論了。

因此，想要繼續(xù)發(fā)掘自然規(guī)律，要么去深度研究相對(duì)論，要么去從量子力學(xué)中尋找新的機(jī)會(huì)，即通過(guò)非材料的方式來(lái)開發(fā)量子力學(xué)，如今的量子計(jì)算是其中的一種。

顯然，從選擇來(lái)看，第二條路會(huì)更靠譜。如今百度“乾始”產(chǎn)業(yè)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)布，便是量子力學(xué)新應(yīng)用的佐證。此外，還有如量子顯微鏡、量子通信等，都證明當(dāng)前科學(xué)界向著量子力學(xué)的第二條道路發(fā)起沖擊。

所謂量子計(jì)算機(jī)，便是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運(yùn)行量子算法與量子軟件的新型計(jì)算設(shè)備。在處理某些特定問(wèn)題上相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)有指數(shù)級(jí)別的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、石油勘探等大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。

據(jù)百度首席技術(shù)官王海峰透露，經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力與芯片的集成度成正比，增加一倍算力，就需要增加一倍的集成度，而集成度每18個(gè)月增加一倍，這便是經(jīng)典的摩爾定律。

而量子計(jì)算機(jī)的算力，隨著量子比特的增長(zhǎng)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增加，每增加一個(gè)量子比特，算力便增加一倍?；蛟S在幾十個(gè)量子比特時(shí)，算力優(yōu)勢(shì)不明顯，但隨著量子比特增加至上百、上千乃至上萬(wàn)個(gè)，其優(yōu)勢(shì)將非常突出。

量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化正進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段。IDC報(bào)告預(yù)計(jì)，全球量子計(jì)算市場(chǎng)將從2020年的4.12億美元增長(zhǎng)到2027年的86億美元，6年復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)50%。百度量子研究所所長(zhǎng)段潤(rùn)堯表示，2031年量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到8000億元，69%的全球大型企業(yè)計(jì)算將采用量子計(jì)算，百度也在為此做準(zhǔn)備。

世界各國(guó)和各大高科技公司圍繞量子科技進(jìn)行緊密布局。2018年，歐盟投入10億歐元實(shí)施量子旗艦計(jì)劃。2018年，美國(guó)通過(guò)《國(guó)家量子倡議法案》旨在確保美國(guó)在量子信息及其應(yīng)用方面的持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)地位，提出《無(wú)盡前沿法案》計(jì)劃投資1000億美元在量子計(jì)算等10個(gè)領(lǐng)域。

此外，諸如谷歌、IBM、微軟等美國(guó)公司都在加快研發(fā)與布局量子計(jì)算平臺(tái)。國(guó)內(nèi)如百度、阿里巴巴、騰訊、華為等都在量子計(jì)算方面進(jìn)行了布局。2019年谷歌在超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，2021年中科大在超導(dǎo)和光量子兩種平臺(tái)上也實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，這一系列成果展示了量子計(jì)算的巨大潛力。

百度量子自2018年3月成立以來(lái)，致力于打造全球領(lǐng)先的百度量子平臺(tái)，先后發(fā)布了國(guó)內(nèi)首個(gè)云上量子脈沖系統(tǒng)“量脈”，全球首個(gè)云量一體的量子機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)“量槳”，全球首個(gè)云原生量子計(jì)算平臺(tái)“量易伏”，集教材、視頻、課程和編程一體化的量子學(xué)習(xí)知識(shí)庫(kù)“量易簡(jiǎn)”。



聚焦以QIAN命名的戰(zhàn)略發(fā)展方向，即量子基礎(chǔ)研究突破（Quantum），量子基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（Infrastructure），量子應(yīng)用研發(fā)落地（Applications），量子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建（Network），全力打造量子軟硬一體化解決方案，加速量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

據(jù)官方資料顯示，此次發(fā)布的量子計(jì)算機(jī)“乾始”平均T1時(shí)間長(zhǎng)度31.0μs，平均T2時(shí)間長(zhǎng)度8.7μs。在軟件平臺(tái)方面，“乾始”可以通過(guò)云服務(wù)獲取強(qiáng)大量子算力，提供人人皆可量子的產(chǎn)業(yè)級(jí)量子計(jì)算即服務(wù)。

我們都知道，經(jīng)典計(jì)算機(jī)主要是通過(guò)0與1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這意味著需要將所有的操作指令，都轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)串的0與1的二進(jìn)制，即便如今計(jì)算機(jī)處理器浮點(diǎn)運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到每秒超萬(wàn)億次，但實(shí)際上可能干不了太多事情。

而量子計(jì)算機(jī)則是量子疊加態(tài)的直接使用，也就是可以將多組數(shù)據(jù)疊在一起，同時(shí)運(yùn)算，這被稱為并行計(jì)算。而一個(gè)量子態(tài)可以同時(shí)包含2個(gè)信息，比如在量子世界中，一只量子貓?jiān)跊]有被觀測(cè)的情況下，可以既是白貓，又是黑貓，只有觀測(cè)以后才會(huì)確定其真正的顏色。

這也意味著，兩個(gè)量子態(tài)就可以包含4個(gè)信息，3個(gè)量子態(tài)便是8個(gè)信息，以此呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。要知道普通的64位處理器一次只能塞入64個(gè)信息，而10個(gè)量子態(tài)一次便可以塞入1024個(gè)信息。

以此來(lái)推算，當(dāng)擁有50個(gè)量子態(tài)時(shí)，計(jì)算性能將達(dá)到目前頂級(jí)超算的水平，如果將量子態(tài)數(shù)量擴(kuò)大到100個(gè)，將達(dá)到全世界計(jì)算能力總和的100萬(wàn)倍，這便是量子計(jì)算機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算是個(gè)長(zhǎng)期工程

當(dāng)前量子計(jì)算屬于一個(gè)高門檻、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的行業(yè)，并且量子技術(shù)是跨系統(tǒng)的工程，因此量子計(jì)算仍然存在極大的挑戰(zhàn)，全鏈條技術(shù)環(huán)環(huán)相扣，科學(xué)和工程挑戰(zhàn)巨大。段潤(rùn)堯提到，量子計(jì)算比如在芯片設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)、軟硬接口、噪聲處理、操作系統(tǒng)、云平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)、應(yīng)用算法、量子幅度等方面，都存在著不小的挑戰(zhàn)。

在量子處理器上，目前百度10量子比特芯片已上線，36量子比特芯片已完成設(shè)計(jì)，將投入流片。段潤(rùn)堯表示，希望與硬件團(tuán)隊(duì)進(jìn)行進(jìn)一步合作，將量子芯片做好。預(yù)計(jì)將在2028年實(shí)現(xiàn)量子比特達(dá)10000以上，進(jìn)行可容錯(cuò)的量子計(jì)算。

應(yīng)用上，目前主要包括量子模擬、組合優(yōu)化、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等方向，旨在探索分子化學(xué)，藥物研發(fā)，量化金融，交通規(guī)劃，人工智能、和密碼安全等領(lǐng)域潛在的解決方案。比如量子化學(xué)上，使用百度超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)計(jì)算氫化鋰分子基態(tài)能量，驗(yàn)證量子計(jì)算潛力；圖像分類上，使用百度超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)對(duì)是否有裂縫的建筑墻體圖片進(jìn)行了分類。與經(jīng)典算法相比，量子算法在保證分類準(zhǔn)確率相同的同時(shí)顯著降低了模型參數(shù)量，顯現(xiàn)出了構(gòu)建更復(fù)雜模型的潛力。

需要明確的是，量子產(chǎn)業(yè)想要做到突破需要各個(gè)產(chǎn)業(yè)通力合作，創(chuàng)造量子計(jì)算的生態(tài)環(huán)境。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員范桁表示，中國(guó)在量子計(jì)算暫時(shí)處于追趕者的狀態(tài)，量子計(jì)算云平臺(tái)市場(chǎng)巨大，比如在IBM上做科研，一年需要10萬(wàn)元，而其上有20萬(wàn)用戶，市場(chǎng)想象空間巨大。

北京量子信息科學(xué)研究院研究員金貽榮表示，當(dāng)前在芯片上做200-300個(gè)量子比特并不難，難點(diǎn)在于將上面的量子比特耦合起來(lái)，還需操控每個(gè)獨(dú)立的量子比特，同時(shí)還要注意量子比特之間的串?dāng)_以及頻率擁擠的問(wèn)題。

目前量子計(jì)算仍處于初級(jí)發(fā)展階段，發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)是一個(gè)長(zhǎng)期工程，要以建設(shè)科技樹，而不是護(hù)城河的心態(tài)投入進(jìn)來(lái)，相關(guān)從業(yè)者需要拿出更大的胸懷，更長(zhǎng)遠(yuǎn)的視角，共同將產(chǎn)業(yè)做大。