百度段潤堯：4個因素讓量子計算的出現(xiàn)成為必然 | MEET2023

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量子位 | 公眾號 QbitAI

從火爆出圈的“量子優(yōu)越性”話題，到今年諾貝爾物理學(xué)獎花落量子信息科學(xué)領(lǐng)域。

量子計算這個技術(shù)名詞，早已成為當(dāng)下最受關(guān)注的科技議題之一。

而一系列最新技術(shù)進展，也催生出一個新的問題：

量子計算，究竟離我們的生活還有多遠？

事實上，有數(shù)據(jù)顯示，到2031年左右，有將近8000億的市場規(guī)模將會直接與量子計算相關(guān)。

這意味著這一領(lǐng)域即將迎來浩蕩的落地之旅。

那么，我們?nèi)绾芜~出第一步，又該如何構(gòu)建一臺真正的量子計算機？

來自百度量子計算研究所的所長段潤堯，師從應(yīng)明生教授，是悉尼科技大學(xué)終身教授和量子軟件與信息中心創(chuàng)辦主任、澳大利亞亞洲研究理事會Future Fellow。

從2001年起他就開始從事量子計算和量子信息技術(shù)領(lǐng)域，并做出了原創(chuàng)性貢獻；他所在的百度，已率先給出了量子計算從底層硬件到上層應(yīng)用的一整套產(chǎn)業(yè)化解決方案。

所以在MEET 2023智能未來大會現(xiàn)場，段潤堯就以百度為例分享了一些經(jīng)驗和看法，他表示：

最近幾年是量子真正開始和計算結(jié)合的非常關(guān)鍵的幾年，量子計算的出現(xiàn)有著多方面的必然性。

如果我們希望把摩爾定律的優(yōu)勢和便宜的算力繼續(xù)延續(xù)下去，就需要考慮新的一種計算模式，就是量子計算。

而想要造出一臺真正的量子計算機，他的結(jié)論很簡單：

就是聰明的腦袋，再加上足夠的資源和現(xiàn)有的最好的技術(shù)，匹配起來。

為了完整體現(xiàn)段潤堯在量子計算產(chǎn)業(yè)化從硬件到軟件以及應(yīng)用方面解決方案的思考，量子位在不改變原意的基礎(chǔ)上，對他的演講內(nèi)容進行了編輯整理。

關(guān)于MEET 智能未來大會：MEET大會是由量子位主辦的智能科技領(lǐng)域頂級商業(yè)峰會，致力于探討前沿科技技術(shù)的落地與行業(yè)應(yīng)用。今年共有數(shù)十家主流媒體及直播平臺報道直播了MEET2023大會，吸引了超過300萬行業(yè)用戶線上參會，全網(wǎng)總曝光量累計超過2000萬。

演講要點

• 要把摩爾定律優(yōu)勢延續(xù)下去，把便宜的算力延續(xù)下去，就需要考慮新的一種計算模式，即量子計算。
• 我們已經(jīng)處于一個非常關(guān)鍵的節(jié)點，即量子計算的優(yōu)勢開始超越經(jīng)典計算。如果突破這個點，后面將會帶來非常多的可能性。
• 到了2031年左右，將近有8000億的市場規(guī)模將會直接跟量子計算相關(guān)；將近70%的企業(yè)想在這方面做一些布局。
• 量子計算和人工智能更是一個相互促進、相互糾纏的關(guān)系，從上面的應(yīng)用，中間的整個平臺框架，到底下的硬件層面都可以產(chǎn)生聯(lián)系。
• 量子計算方面的整體投入很多，但是對具體的算法和軟件投入有限，這方面需要加強，并且已經(jīng)到了關(guān)鍵的階段。
• 如何真正造出一臺量子計算機？我的結(jié)論其實很簡單，就是聰明的腦袋，再加上有足夠的資源和現(xiàn)有的最好的技術(shù)。

（以下為段潤堯所長演講分享全文）

為什么說量子計算的出現(xiàn)是必然的？

今天我看到這個圖標(biāo)（大會圖標(biāo)），就讓我想起量子信息里面的量子糾纏。

事實上可以這么講，我們今天討論的量子計算本身就是計算和量子信息進行的糾纏。

一方面，從上古時代開始的結(jié)繩計數(shù)，到后面的算盤、計算尺，到今天的計算機、超級計算機等等，計算已覆蓋了我們社會的各個方面。

另一方面，量子其實是我們對這個世界的新認識。

我們知道，原始時代對這個世界只有粗淺的經(jīng)驗認識，到后面才開始有牛頓力學(xué)，有麥克斯韋的電磁理論，以及上個世紀我們終于能夠發(fā)現(xiàn)這個世界其實遵循量子力學(xué)規(guī)律。

量子力學(xué)從上個世紀20年代產(chǎn)生以后，其實就已經(jīng)對我們這個世界產(chǎn)生了翻天覆地的影響，這就是所謂的第一次量子革命。

包括我們今天熟悉的激光、晶體管，還有核磁共振，以及原子能這樣一些東西，都是依據(jù)量子力學(xué)直接使用產(chǎn)生的，特別是今天使用的互聯(lián)網(wǎng)。

這第一次量子革命，基本上改變了我們整個社會的方方面面。

而現(xiàn)在，我們這個時代其實已經(jīng)進入到了第二次量子革命，或者新量子革命的階段。

在這個階段，我們已經(jīng)不再滿足于對一塊材料整體進行量子力學(xué)的預(yù)測，我們希望能夠直接操控到一個具體的系統(tǒng)，利用這樣一個系統(tǒng)進行處理。在這個過程中，像量子糾纏這樣一些量子特性真正產(chǎn)生了影響。

這幾年應(yīng)該是量子真正開始和計算結(jié)合的非常關(guān)鍵的幾年，特別是大家知道的谷歌開發(fā)的量子計算機“懸鈴木”，以及中科大做出來的“祖沖之號”，這些都證明當(dāng)量子和計算結(jié)合在一起的時候，在一些特定問題上可以真正展現(xiàn)超能力。

量子和計算真正結(jié)合以后，新的學(xué)科就出來了，我們也相信這個東西會為我們帶來全新的世界，原因是可以帶來算力的指數(shù)級提升。

講了這么多大家可能有個大概印象，量子和計算的結(jié)合是非常重要的，但是到底怎么個重要法呢？

實際上，量子計算的出現(xiàn)是必不可少的。

一方面，當(dāng)我們的芯片尺寸小到一定程度的時候，比如1納米，這時候就進入了量子力學(xué)的尺度，在這個尺度里面，我們需要去考慮用量子力學(xué)的方式設(shè)計芯片，而不能僅僅靠傳統(tǒng)的方式。

所以這個時候自然就要求我們，如果我們希望能夠把摩爾定律優(yōu)勢延續(xù)下去，把便宜的算力延續(xù)下去，我們就需要考慮新的一種計算模式，就是量子計算。

當(dāng)然了，這也跟能源消耗有關(guān)系。因為大家知道計算是非常消耗能量的，但是如果采用量子計算，其本身是可逆的計算模式，最終消耗能量是可以非常小的。

另一方面，我們的數(shù)據(jù)量已經(jīng)非常大了，就如剛才那些報告里面大家提到各種大模型，需要很大的計算量。

實際上當(dāng)我們想去對一個量子系統(tǒng)進行模擬的時候，哪怕是一個很小的系統(tǒng)，比如像300個量子比特（量子比特就是經(jīng)典比特的量子對應(yīng)物），要表達這樣的系統(tǒng)狀態(tài)所需要的儲存量已經(jīng)超過了我們整個宇宙可見的原子數(shù)目。

除此之外，量子還有很多正面效應(yīng)，比如有很多算法我們可以從理論上證明它的優(yōu)勢，特別是在一些特定問題上的指數(shù)優(yōu)勢。

還有我們每天都在用互聯(lián)網(wǎng)，用網(wǎng)絡(luò)來進行各種各樣的交易，或者說各種各樣的信息傳遞，在這個過程中，信息的安全非常重要。

但是非常不幸，量子計算機其實是可以把財務(wù)RSA的系統(tǒng)攻破的。

現(xiàn)有的比如我們做1000位大數(shù)的質(zhì)數(shù)分解，用傳統(tǒng)計算機可能需要花很長時間，比宇宙時間長度還大。但是如果真正能夠造出來一個中等規(guī)模的量子計算機，大概只要花幾秒鐘，甚至幾秒都不用就可以解決這個問題。

到2031年，量子計算市場規(guī)模將達8000億

實際上我們今天已經(jīng)處于一個非常關(guān)鍵的節(jié)點，即量子計算的優(yōu)勢開始超越經(jīng)典計算。如果突破這個點，后面將會帶來非常多的可能性。

也正是因為這樣的可能性，量子科技一直非常受當(dāng)前行業(yè)重視。

大家可以看到，在“十四五”規(guī)劃和2035遠景目標(biāo)里面，特別把量子信息和集成電路、人工智能一起作為優(yōu)先發(fā)展的三駕馬車之一。

國外歐美等主要國家對這方面的投入也非常之大。

在工業(yè)界大家已經(jīng)意識到它很有可能帶來新的信息革命，國內(nèi)外大企業(yè)都已經(jīng)在這方面進行布局，包括百度也在2018年開始真正進入這個領(lǐng)域。

除此之外還有很多非常優(yōu)秀的初創(chuàng)企業(yè)也在做一些研究。

這里有兩個數(shù)據(jù)，在經(jīng)過各種資料綜合以后，我們發(fā)現(xiàn)：

到了2031年左右，將近8000億的市場規(guī)模將會直接跟量子計算相關(guān)；將近70%的企業(yè)想在這方面做一些布局。

所以這是一個非常令人激動的事情。那么具體可以用在哪些方面呢？

我們知道，整個量子計算是從硬件到軟件和算法這些方面都會產(chǎn)生變革，所以基本上可以講，很多重要的領(lǐng)域都和它相關(guān)的。

尤其是我這邊簡單列的幾個方向，比如化工醫(yī)藥，以藥物研發(fā)問題為甚；或者是金融科技里面的一些優(yōu)化問題；或者包括新能源電池里面關(guān)于化學(xué)模擬問題，以及信息安全……這些方面都可以和量子計算產(chǎn)生密切的聯(lián)系。

除此之外，其實量子計算和人工智能也更是一個相互促進、相互糾纏的關(guān)系，不僅是上面的應(yīng)用，中間的整個平臺框架，底下的硬件層面都可以產(chǎn)生相互的聯(lián)系，這是量子對我們?nèi)斯ぶ悄艿挠绊憽?/p>

另一方面，量子也可以受益于我們現(xiàn)有的一些非常先進的人工智能技術(shù)，特別是深度學(xué)習(xí)可以幫助我們對量子系統(tǒng)的很多性質(zhì)做研究，包括量子算法，以及量子的協(xié)議等。

像百度在2020年的時候，就已經(jīng)搭建了一個叫做量槳的量子機器學(xué)習(xí)平臺。

量子計算的產(chǎn)業(yè)化需解決三方面難題

我們目前有這么多的機會可以依靠，我們也知道量子即將走入我們的實際生活，但是在座的或者在線的同學(xué)，到底有幾位真正使用過量子計算機？

我相信人數(shù)還是非常有限的。

很多時候我們可能只是從新聞、或者報紙上看到相關(guān)的一些報道，但是我們真正想做產(chǎn)業(yè)化的話，我們就需要把量子計算機從實驗室里面帶到我們的實際生活之中。

但是在實驗室里面的問題是什么呢？平臺單一、不穩(wěn)定……有很多的問題，導(dǎo)致量子算力很難輸出。

我們產(chǎn)業(yè)化道路需要解決什么呢？需要解決從硬件到軟件以及應(yīng)用一系列的問題。

比如說在硬件方面，我們需要解決穩(wěn)定性的問題，就是你這個東西能不能持續(xù)地輸出量子的算力，今天開了，明天又掛了，這個不行。

第二個，你還要提供一個平臺，硬件的一個平臺。除此之外，你還要確保這個芯片是能夠有一個自動化的設(shè)計方法能夠不斷地為你提供新的換代，這個很重要。

在軟件層面，特別重要的一點就是我們能不能有一個好的軟件平臺使得我們的程序員從經(jīng)典編程步入量子編程。除此之外還包括軟件接口怎么弄、糾錯怎么弄等等。

在應(yīng)用層面則需要好的算法庫，真正有優(yōu)勢的場景。

總之，產(chǎn)業(yè)化的場景在科學(xué)研究，技術(shù)以及工程化這幾方面提出了多維的挑戰(zhàn)。

百度提出了QIAN戰(zhàn)略。Q就是量子算法、量子AI及量子架構(gòu)。I就是軟件和硬件的基礎(chǔ)設(shè)施。除此之外，還要真正識別出一些具有重大應(yīng)用價值的場景，A就是實際的一些重要的應(yīng)用。最后當(dāng)然還有網(wǎng)絡(luò)，N指量子互聯(lián)網(wǎng)，除此之外我們也需要建立生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

其中大家可以看到“QIAN”的三種解釋：一方面是順應(yīng)科技發(fā)展的大勢，就是“乾坤”的“乾”；一方面是“前瞻性”的“前”，真正聚焦前瞻性的應(yīng)用；最后一方面，真正能夠把量子的生態(tài)資源利用好，就是“金錢”的“錢”。

而整個百度量子經(jīng)過4年多的發(fā)展，從上面的應(yīng)用到底層硬件已全套打通，不僅有軟件，也有硬件，還有量易簡的教程，量子操作系統(tǒng)的平臺、工具集等等。

也就是在這樣一個平臺指導(dǎo)下，我們最終下決心要把這一整套東西全部打通，所以我們希望真正能夠把軟件、硬件，還有應(yīng)用全部集成起來做出來給大家看，真正實現(xiàn)軟硬一體，把量子算力真正輸入到每個用戶手上。

我們在今年8月份的時候在第一次量子開發(fā)者大會上推出了一個叫“乾始”的高度集成的產(chǎn)業(yè)級量子計算機。

為什么說它是產(chǎn)業(yè)級的量子計算機？其實是因為它能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供服務(wù)，雖然現(xiàn)在的芯片能力還是比較有限，但是我們已經(jīng)能夠持續(xù)地穩(wěn)定給用戶提供服務(wù)。

事實上，每一個人只要對量子信息有點興趣，都可以打開手機下載量易伏APP，你就能很快學(xué)一些最基本的量子知識。

我們已經(jīng)提供了5個有趣的應(yīng)用，從量子疊加到量子糾纏，到量子的搜索，以及后面還有一系列的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣的東西供大家使用。我們相信通過這樣的努力，讓量子計算能夠觸手可及。

那么像百度這樣的企業(yè)經(jīng)開始做量子的產(chǎn)業(yè)化努力，但是更多的企業(yè)自己可能也希望能夠真正把量子的東西引進到自己企業(yè)的服務(wù)里面，這個要怎么辦？也就是說我們?nèi)绾螏椭渌a(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)量子化？

剛才我提到這個數(shù)據(jù)，將近有七成企業(yè)有這個需求，這個時候大家就會發(fā)現(xiàn)，這里面有一個很大的鴻溝需要跨過。

我們今年8月份發(fā)布了一個叫量羲的全球首個量子軟硬一體化解決方案，能非常便捷地實現(xiàn)企業(yè)對量子的布局。

這個平臺現(xiàn)在有很大的優(yōu)點，首先是全平臺，不管手機、PC，各種各樣的硬件都可以適配。

其次，它其實有軟件硬件一整套的技術(shù)。

另外一方面，它也能夠真正地為企業(yè)提供落地服務(wù)，比如有私有化定制云服務(wù)，可以幫它整體部署，進行一站式的升級。

具體就是三個步驟。首先是這個企業(yè)可以來和我們可以一起討論，量子計算到底對你這個行業(yè)，對你的公司，具體產(chǎn)生一個什么樣的影響，可以定一個策略；第二，它已經(jīng)確定是一個趨勢，我們就可以考慮真正去把企業(yè)里面一些核心的問題識別出來，用我們的量子方法為你制定解決方案；第三步是具體的落地。

我們希望能夠通過我們做的百度量子平臺這樣一些技術(shù)，包括乾始的量子實際產(chǎn)品，最終能夠輸出量羲這樣的方案，能夠讓我們千行百業(yè)受到幫助。

“聰明的腦袋+足夠的資源+現(xiàn)有最好的技術(shù)=一臺量子計算機”

在這個報告最后，我想順便做一下展望。

實際上我二十多年來一直在思考一個問題：如何真正能夠造出一臺量子計算機？

我的結(jié)論其實很簡單，就是聰明的腦袋，再加上有足夠的資源和現(xiàn)有的最好的技術(shù)，匹配起來就可以做出量子計算機。

從這個意義上講，全球可以有很多不同的組合都可以做出這樣的機器，這個過程是可以等價的。

目前量子計算機存在的問題是什么？

首先是人才很稀缺，如果你學(xué)量子計算，那么市場上有好幾個offer等著你。

其次就是資金。量子計算整體投入是很多，但是對具體的算法和軟件投入有限，這方面需要加強。

其實很多的資本可以考慮一下量子計算，因為以前可能說有點早，但是現(xiàn)在已經(jīng)到了關(guān)鍵的階段。

另外，我們其實希望能夠通過我們百度量子平臺構(gòu)建一個開放可持續(xù)發(fā)展的量子計算生態(tài)。

這樣我們不僅對我們的開發(fā)者，對我們的用戶提供服務(wù)，我們也希望能夠和學(xué)術(shù)界，和我們的資深專家（包括我們的Artur Ekert顧問），量子密碼的專家建立合作關(guān)系。

另外就是與硬件團隊的合作我們也是非常需要的，因為我們主要偏軟件，雖然我們也有我們自己的硬件，但是我們更希望和硬件團隊進行更深入的合作，把量子芯片做得更好。

當(dāng)然，還有一方面就是高校的合作永遠是我們創(chuàng)新的源泉。

再次感謝大家的傾聽，謝謝！