打破“量子無用”謬論，一文讀懂量子計算為何如此重要

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）說起量子力學(xué)，與相對論同樣為20世紀初所誕生的新興學(xué)科，并且人類過去一百年來的技術(shù)進步，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)致的計算機誕生。

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

為什么要發(fā)展量子計算

盡管對于大多數(shù)人而言，量子技術(shù)距離普通人生活過于遙遠，但相關(guān)技術(shù)已經(jīng)對人們的生活影響深遠。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)無法用經(jīng)典物理學(xué)來解釋現(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)對現(xiàn)代科學(xué)的貢獻之大。

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)生一個成功的語言。即便是上帝粒子與引力波的驗證，也都是上個世紀的理論了。

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

顯然，從選擇來看，第二條路會更靠譜。如今百度“乾始”產(chǎn)業(yè)超導(dǎo)量子計算機的發(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。

所謂量子計算機，便是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運行量子算法與量子軟件的新型計算設(shè)備。在處理某些特定問題上相對經(jīng)典計算機有指數(shù)級別的運算優(yōu)勢，如密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、石油勘探等大規(guī)模計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)典計算機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個月增加一倍，這便是經(jīng)典的摩爾定律。

而量子計算機的算力，隨著量子比特的增長呈現(xiàn)指數(shù)級增加，每增加一個量子比特，算力便增加一倍?；蛟S在幾十個量子比特時，算力優(yōu)勢不明顯，但隨著量子比特增加至上百、上千乃至上萬個，其優(yōu)勢將非常突出。

量子計算機的優(yōu)勢

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，量子計算產(chǎn)業(yè)化正進入爆發(fā)式增長階段。IDC報告預(yù)計，全球量子計算市場將從2020年的4.12億美元增長到2027年的86億美元，6年復(fù)合年增長率超過50%。百度量子研究所所長段潤堯表示，2031年量子計算產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計達到8000億元，69%的全球大型企業(yè)計算將采用量子計算，百度也在為此做準備。

世界各國和各大高科技公司圍繞量子科技進行緊密布局。2018年，歐盟投入10億歐元實施量子旗艦計劃。2018年，美國通過《國家量子倡議法案》旨在確保美國在量子信息及其應(yīng)用方面的持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)地位，提出《無盡前沿法案》計劃投資1000億美元在量子計算等10個領(lǐng)域。

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

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



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，加速量子計算產(chǎn)業(yè)化進程。

據(jù)官方資料顯示，此次發(fā)布的量子計算機“乾始”平均T1時間長度31.0μs，平均T2時間長度8.7μs。在軟件平臺方面，“乾始”可以通過云服務(wù)獲取強大量子算力，提供人人皆可量子的產(chǎn)業(yè)級量子計算即服務(wù)。

我們都知道，經(jīng)典計算機主要是通過0與1進行數(shù)據(jù)處理，這意味著需要將所有的操作指令，都轉(zhuǎn)化成長串的0與1的二進制，即便如今計算機處理器浮點運算速度已經(jīng)達到每秒超萬億次，但實際上可能干不了太多事情。

而量子計算機則是量子疊加態(tài)的直接使用，也就是可以將多組數(shù)據(jù)疊在一起，同時運算，這被稱為并行計算。而一個量子態(tài)可以同時包含2個信息，比如在量子世界中，一只量子貓在沒有被觀測的情況下，可以既是白貓，又是黑貓，只有觀測以后才會確定其真正的顏色。

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

以此來推算，當(dāng)擁有50個量子態(tài)時，計算性能將達到目前頂級超算的水平，如果將量子態(tài)數(shù)量擴大到100個，將達到全世界計算能力總和的100萬倍，這便是量子計算機的巨大優(yōu)勢。

量子計算是個長期工程

當(dāng)前量子計算屬于一個高門檻、高投入、高風(fēng)險、高回報的行業(yè)，并且量子技術(shù)是跨系統(tǒng)的工程，因此量子計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。段潤堯提到，量子計算比如在芯片設(shè)計、硬件平臺、軟硬接口、噪聲處理、操作系統(tǒng)、云平臺、應(yīng)用平臺、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，將投入流片。段潤堯表示，希望與硬件團隊進行進一步合作，將量子芯片做好。預(yù)計將在2028年實現(xiàn)量子比特達10000以上，進行可容錯的量子計算。

應(yīng)用上，目前主要包括量子模擬、組合優(yōu)化、量子機器學(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)量子計算機計算氫化鋰分子基態(tài)能量，驗證量子計算潛力；圖像分類上，使用百度超導(dǎo)量子計算機對是否有裂縫的建筑墻體圖片進行了分類。與經(jīng)典算法相比，量子算法在保證分類準確率相同的同時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產(chǎn)業(yè)通力合作，創(chuàng)造量子計算的生態(tài)環(huán)境。中國科學(xué)院物理研究所研究員范桁表示，中國在量子計算暫時處于追趕者的狀態(tài)，量子計算云平臺市場巨大，比如在IBM上做科研，一年需要10萬元，而其上有20萬用戶，市場想象空間巨大。

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個量子比特并不難，難點在于將上面的量子比特耦合起來，還需操控每個獨立的量子比特，同時還要注意量子比特之間的串?dāng)_以及頻率擁擠的問題。

目前量子計算仍處于初級發(fā)展階段，發(fā)展這項技術(shù)是一個長期工程，要以建設(shè)科技樹，而不是護城河的心態(tài)投入進來，相關(guān)從業(yè)者需要拿出更大的胸懷，更長遠的視角，共同將產(chǎn)業(yè)做大。