量子計(jì)算發(fā)展速度很快 阿里達(dá)摩院亮劍量子計(jì)算

姚期智認(rèn)為，量子計(jì)算在現(xiàn)階段基本上已經(jīng)是呼之欲出，但是，做最后的一里路，是一個非常艱難的過程?！耙?yàn)榇蠹叶歼€沒有考慮怎么糾錯，這是一個非常難的問題，最后一里路，也是非常長的一里路?！?/p>

隨著光量子比特糾纏的數(shù)字不斷擴(kuò)大，國內(nèi)科學(xué)家在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究駛?cè)肓丝燔嚨馈?/p>

日前，21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者從中國科技大學(xué)獲悉，該校教授潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等在國際上首次實(shí)現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，再次刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。

量子糾纏是物理學(xué)概念。在業(yè)界被稱為“量子計(jì)算之父”的潘建偉曾經(jīng)解釋說，量子糾纏是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個粒子必然會影響其它粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性。

因此，量子糾纏的疊加對于量子計(jì)算的發(fā)展至關(guān)重要。6日，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)家徐華告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，中國科技大學(xué)的這項(xiàng)破紀(jì)錄的成果意義巨大。在量子力學(xué)基本原理上，是利用量子疊加、量子糾纏這些東西組合形成量子邏輯，實(shí)現(xiàn)信息處理的能力。而量子計(jì)算需多個光量子比特糾纏，數(shù)量越多意味著處理數(shù)據(jù)的能力可能會越強(qiáng)。

在國內(nèi)，除了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等在著力投入量子計(jì)算之外，一些領(lǐng)軍的科技公司如BAT等也已經(jīng)加入到軟件領(lǐng)域的研發(fā)中。某高校一名研究員19日對21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，量子計(jì)算可以進(jìn)行大量的模擬和并行計(jì)算，從而助推人工智能行業(yè)的應(yīng)用，對制藥、生物、金融等需要大量數(shù)據(jù)的行業(yè)都會造成深遠(yuǎn)影響。

不過，下一步要實(shí)現(xiàn)更多個量子比特的糾纏，需進(jìn)行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨(dú)立量子比特間相互作用的精確調(diào)控。隨著量子比特?cái)?shù)的增加，操縱帶來的噪聲、串?dāng)_和錯誤也隨之增加。這對量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控要求極高，對量子糾纏和量子計(jì)算的發(fā)展構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

突破大規(guī)模計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置，一旦實(shí)現(xiàn)，意味著計(jì)算速度會有數(shù)十億倍的提高。這一計(jì)算能力的飛躍，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越從算盤到當(dāng)代超級計(jì)算機(jī)的提升。

以阿里巴巴最近推出的“人臉識別”判斷，量子計(jì)算可以達(dá)到的處理速度令人難以想象。假設(shè)人們把這種量子計(jì)算機(jī)運(yùn)用到監(jiān)控領(lǐng)域，它可以瞬間在數(shù)據(jù)庫中掃描60億地球人的臉，并實(shí)時(shí)辨別出一個人的身份。

對數(shù)據(jù)的處理可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的并行，運(yùn)算速度會大大提高，同時(shí)，量子計(jì)算的速度會隨著實(shí)驗(yàn)可操縱的糾纏比特?cái)?shù)的增加而呈指數(shù)級提升。因此，未來量子計(jì)算機(jī)可應(yīng)用于需要大規(guī)模計(jì)算的科學(xué)難題。

據(jù)悉，潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的光量子計(jì)算機(jī)，在超導(dǎo)電路中能實(shí)現(xiàn)10比特糾纏和并行邏輯運(yùn)算。這個科研用的模擬機(jī)，性能比人類第一臺電子管計(jì)算機(jī)（1946年誕生）和第一臺晶體管計(jì)算機(jī)（1954年誕生）快10到100倍。

量子計(jì)算應(yīng)用最實(shí)際的領(lǐng)域是在通信和人工智能方面。量子通信可以最大限度地保證用戶的隱私和信息安全，也正因?yàn)檫@樣，量子通信在國家信息安全層面有著越來越迫切的現(xiàn)實(shí)需求，這也是包括中國、美國及歐洲大力投入的原因。

據(jù)悉，北京和上海之間建造的長約2000公里的“京滬干線”是世界上第一條量子通信網(wǎng)絡(luò)。去年3月，阿里云公布了全球首個云上量子加密通訊案例，通過建立多個量子安全傳輸域，為客戶提供無條件安全數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

前述研究員認(rèn)為，量子密碼具有唯一性，很難被破解，也是它優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的原因，但是，量子計(jì)算機(jī)適合解決復(fù)雜的優(yōu)化問題，并不能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的其他功能。同時(shí)，由于量子計(jì)算芯片工作環(huán)境要接近絕對零度，目前成本很高也難以小型化。所以，量子計(jì)算落地應(yīng)用還需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的合作，以推進(jìn)市場化落地。

“最后一里路”難題

在業(yè)界，量子計(jì)算仍然存在分歧。但是，隨著科技成果的陸續(xù)發(fā)布，產(chǎn)學(xué)界都達(dá)成了共識：即量子計(jì)算會對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響，且無法回避量子計(jì)算時(shí)代的到來。

今年3月，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)72個量子位的原型機(jī)，5月，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室發(fā)布消息，稱已研發(fā)出當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器“太章”，成功模擬了81比特40層作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路。

此前，中國科學(xué)院院士、量子計(jì)算專家、圖靈獎獲得者姚期智在公開演講中表示，自己目前最興奮的兩個熱門方向就是量子計(jì)算和人工智能，二者能夠有效結(jié)合在一起?！坝钪娼o我們兩個很大的挑戰(zhàn)，第一，量子物理能夠做出很精妙的事情，如果沒有量子計(jì)算我們就不能引領(lǐng)它；在軟件方面，我們?nèi)祟惸懿荒艿竭_(dá)大自然所孕育出來的物種的水平。如果能夠把量子計(jì)算和AI放在一起，我們可能做出連大自然都沒有想到的事情。”

目前，中美是世界上在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破的兩個主要國家，美國在近年每年投入超過2億美元到該領(lǐng)域的研發(fā)。在國內(nèi)，科學(xué)界也在努力突破，就在潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了18個量子比特的糾纏，成功刷新美國在這一領(lǐng)域的紀(jì)錄后。同一時(shí)期，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦及其團(tuán)隊(duì)在一個128節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)集群上，完成了64量子比特、深度為22的量子隨機(jī)線路的模擬。

在業(yè)內(nèi)看來，這些破紀(jì)錄的成果，不能僅停留在理論階段，必須要落地到場景中去。國內(nèi)的電子商務(wù)、手機(jī)游戲、在線搜索、移動支付、社交媒體、視頻流、在線出行、外賣等各個行業(yè)，已經(jīng)積累了海量的數(shù)據(jù)，量子計(jì)算將有助于政府和企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并加以利用。此外，也有望加快人工智能解決復(fù)雜領(lǐng)域的問題，如面部識別、機(jī)器學(xué)習(xí)和自動駕駛等等。

姚期智認(rèn)為，量子計(jì)算在現(xiàn)階段基本上已經(jīng)是呼之欲出，但是，做最后的一里路，是一個非常艱難的過程?！耙苍S在以后的半年、一年有很多地方都會宣布，能夠有50個量子比特、100個量子比特的機(jī)器。這些當(dāng)然令人興奮，離實(shí)用還差得很遠(yuǎn)。因?yàn)榇蠹叶歼€沒有考慮怎么糾錯，這是一個非常難的問題，最后一里路，也是非常長的一里路。”

阿里巴巴達(dá)摩院亮劍量子計(jì)算

日前，阿里巴巴達(dá)摩院量子科學(xué)家徐華向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者透露，阿里達(dá)摩院在量子計(jì)算領(lǐng)域的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)顛覆性的量子計(jì)算能力，提供基于量子計(jì)算的解決方案，并支持電子商務(wù)到新材料模擬?！鞍⒗镌谌斯ぶ悄軆?yōu)化領(lǐng)域有很多布局，業(yè)務(wù)層面有很多應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算對于人工智能有很強(qiáng)的加速作用，近期我們可能會開始一些項(xiàng)目的調(diào)研和啟動。這是另外一個領(lǐng)域，我們會持續(xù)投入?！?/p>

可以看出，阿里巴巴基于量子計(jì)算的研究，更多是為了優(yōu)化人工智能和電商平臺的應(yīng)用。早在2015年，阿里云就與中國科學(xué)院共同成立“中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”，開展量子計(jì)算的前瞻性研究。相比之下，百度和騰訊的入局都要晚一些。騰訊在2017年12月宣布成立量子實(shí)驗(yàn)室，開始網(wǎng)羅量子相關(guān)的算法、復(fù)雜性、通訊、模擬、量子物理等各方面的人才。百度直到今年3月8日，才宣布成立量子計(jì)算研究所，開展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)研究。

對于這項(xiàng)技術(shù)投入，百度和騰訊公司相關(guān)人士對21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，目前還在探索階段，不方便透露更多信息。的確，量子計(jì)算領(lǐng)域的研究仍處于基礎(chǔ)階段。徐華也認(rèn)為，量子計(jì)算的通用難度較高，可以期待的商業(yè)化應(yīng)用是解決特定問題的量子芯片，以及模擬量子芯片的商用。距離量子計(jì)算機(jī)的商用，還有漫長的一段路。

人才備戰(zhàn)

BAT三巨頭中，起跑最早的要數(shù)阿里。2017年，阿里云與“中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”聯(lián)合開發(fā)出“量子計(jì)算云平臺”，這是阿里跨入量子計(jì)算領(lǐng)域的第一步。今年2月，中科院宣布聯(lián)合阿里云打造11量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算的云平臺。

隨著三巨頭投入量子計(jì)算，國內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域的專業(yè)人才也變得炙手可熱。2017年初，牛津大學(xué)量子計(jì)算博士葛凌教授以騰訊歐洲首席代表身份加入騰訊。而在年底，騰訊籌劃許久的量子實(shí)驗(yàn)室曝光，香港中文大學(xué)教授張勝譽(yù)擔(dān)任騰訊量子實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。

騰訊牽手的，自然是專注于此領(lǐng)域的頂尖學(xué)者。張勝譽(yù)本科畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)數(shù)學(xué)系，博士畢業(yè)于普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)系，專業(yè)知識均與量子計(jì)算緊密相關(guān)。博士畢業(yè)后，他在加州理工學(xué)院跟隨Prof。 John Preskill及Prof。 Leonard Schulman做博士后研究，研究方向包括量子計(jì)算，算法設(shè)計(jì)和計(jì)算復(fù)雜性分析。

而騰訊的老對手阿里，不僅在華人圈尋找專家，還將目光投向海外。1月18日，匈牙利裔計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬里奧?塞格德（Mario Szegedy）入職阿里巴巴達(dá)摩院，進(jìn)駐位于西雅圖的阿里云量子實(shí)驗(yàn)室。這是繼華人頂尖學(xué)者施堯耘之后，又一名量子計(jì)算領(lǐng)域頂尖學(xué)者入職阿里巴巴達(dá)摩院。

據(jù)了解，馬里奧?塞格德于 1991-1992年在美國芝加哥大學(xué)擔(dān)任博士后一職。他不僅先后在芝加哥大學(xué)、普林斯頓高等研究院等頂尖學(xué)府從事長期學(xué)術(shù)研究，還在2001和2005年兩度獲得哥德爾獎。該獎項(xiàng)為理論計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最高榮譽(yù)。

擁有電商核心業(yè)務(wù)的阿里，大數(shù)據(jù)處理始終對算力有極高的要求。布局量子計(jì)算、選擇頂尖專家同樣基于這個原因。相比之下，百度雖然投入量子計(jì)算領(lǐng)域最晚，但在人工智能方面卻早已大手筆布局，并在自動駕駛、操作系統(tǒng)等領(lǐng)域建立了完備的生態(tài)體系，這些都將極大推動百度在量子計(jì)算研究和應(yīng)用落地的速度。

值得注意的是，百度邀請了悉尼科技大學(xué)終身教授段潤堯。他的本科和博士均就讀于清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系，主要從事量子計(jì)算和量子信息論的研究。2016年，他與巴塞羅那自治大學(xué)的Andreas Winter教授合作首次用量子信息論方法解釋了著名的Lovász number的完整信息論，從而解決了量子計(jì)算的信息論和圖論中自1979年以來一直懸而未決的理論問題。

據(jù)悉，阿里巴巴達(dá)摩院目前仍在全球大力招攬技術(shù)人才。

商用仍早

三巨頭爭先恐后布局量子計(jì)算領(lǐng)域，只因量子計(jì)算是彎道超車的有利領(lǐng)域。今年3月，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone，實(shí)現(xiàn)了1%的低錯誤率。谷歌方面認(rèn)為Bristlecone已經(jīng)擁有量子霸權(quán)，能夠打敗世界上所有最快的超級計(jì)算機(jī)。

隨后的6月份，阿里達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室就宣布，研發(fā)出量子電路模擬器“太章”，成功模擬了81比特的谷歌隨機(jī)量子電路。阿里的研究人員通過10000臺服務(wù)器，對其新芯片的運(yùn)作模式做了模擬。模擬結(jié)果顯示，谷歌新量子芯片能力還無法超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力范圍。

同樣深耕于量子計(jì)算研究的英特爾則離商業(yè)化更近一些。在今年的美國CES展上，英特爾宣布向合作伙伴交付首個49量子位量子計(jì)算測試芯片，這距離該公司去年10月交付17量子位超導(dǎo)測試芯片僅過去約3個月。

英特爾CEOMichael Mayberry認(rèn)為，從實(shí)際角度出發(fā)，量子計(jì)算離我們還很遠(yuǎn)。真正地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，至少還需要有十年時(shí)間。他形容英特爾在量子計(jì)算領(lǐng)域的布局只是馬拉松長跑中的第一英里?！安还芰孔游蛔龅糜卸嗪茫⑻貭柖颊J(rèn)為它還是不足以好到完美，需要有糾錯方面的工作，以確保量子位有足夠長的生命期，長到它能夠完成一些有意義的算法或者說是計(jì)算?！?/p>

但是，這并不影響科技巨頭投入量子計(jì)算的信心。波士頓咨詢（BCG）發(fā)布的量子計(jì)算行業(yè)報(bào)告預(yù)測，量子計(jì)算在接下來的25年內(nèi)還將經(jīng)歷三個階段的發(fā)展，才能最終走向技術(shù)成熟。第一個階段是2018-2028年，工程師們研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問題的非通用量子計(jì)算機(jī)。第二個階段是2028到2039年，邏輯量子比特?cái)?shù)量將擴(kuò)展到50多個，并實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。2031年到2042年，量子計(jì)算機(jī)將在模擬、搜索和運(yùn)算中執(zhí)行高級功能，實(shí)現(xiàn)各類商業(yè)應(yīng)用的最終落地。

在徐華看來，量子計(jì)算機(jī)位計(jì)算能力需要超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這是量子計(jì)算進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。所謂量子霸權(quán)，指的就是對于某個特定的問題量子計(jì)算機(jī)可以解決，而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)無法解決。其意義是僅僅是在技術(shù)的發(fā)展過程中設(shè)置一個里程碑。即使谷歌芯片擁有量子霸權(quán)，象征意義也大于實(shí)際意義。