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百度的量子计算机终露面:咱不谈“量子霸权”,先让普通人也把玩把玩

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2020年的CES(消费电子展),IBM在展台上拿出了一个巨型的装置。华贵如一座中世纪钟表,通体金色又富有棱角的质感又像极了某种珍贵的天然矿石。

这个装置实体的背后的确有一座富矿,IBM把它命名为Q System One——世界上第一个完全集成科学和商业用途的通用量子计算机系统。一个几乎与经典计算机平行的概念。

那次CES举办的前后,段润尧正在北京准备一次量子力学的科普演讲。这个领域的所有人都一定关注到了IBM这件精密如艺术品般的装置。

 图源:computer bild
图源:computer bild

美国在量子技术领域的领先位置无可争议,IBM是那颗皇冠上的明珠。Q System OneIBM成为量子计算的规则制定者,作为百度量子计算领域的负责人,段润尧已经将自研量子计算机提上日程。

“乾始”

2022825日,北京亦庄,百度云计算园区。

受邀来参观的人群在换上防尘服后,走进了一间实验室。眼前是一个与IBM极为相似的装置放在里面,并且已经投入正常运转。

这是百度的量子实验室,也是这座超导量子计算机第一次对外公开。段润尧和他的团队是这台装置的研发者,看得出他非常高兴,在向众人讲解运行原理的时候开了个玩笑,你们听这屋子里这么吵,因为这装置很费电,这都是钱的声音。

后摩尔时代,电子隧穿效应愈发明显,量子效应是面对高耗电和经典摩尔定律遇阻时不得不考虑的出路,量子技术上的任何进展都是钱所无法衡量的。

 乾始 图源:百度官方
乾始 图源:百度官方

百度量子实验室的开放,让外界终于有机会近距离观察这个超导量子计算机中的经典装置。

这是量子计算这个极抽象的概念最为具像化的一次呈现。一台超导量子计算机的核心,是一块量子芯片,和一个量子低温系统。

低温系统要为量子芯片创造一个无限接近绝对零度的环境——零下273.15度。

在极度低温的环境下,某些物质会发生电阻降为零的陡峭性质变化。在微观角度上,粒子会下降到可能的最低能量状态。这导致它们会以一种不寻常的集体方式运动,单个粒子不能再被碰撞或推离那个较低的状态,这意味着它们将毫无阻力地流动,成为超导体。

超导体也因此成为为数不多的具有量子化能级、叠加态和纠缠等量子特性的宏观器件。这种具有宏观量子特性的器件为实现超导量子计算与组建超导量子计算机打下了硬件基础,一直以来,超导量子计算被视为最有可能实现普世量子计算机的体系。

芯片是百度自研的,一块包含10个量子比特的超导量子芯片。这台超导量子计算机取名乾始 天生万物的意思。

万物大概指的是未来基于乾始所可能诞生的量子软件或者应用程序。参观环节结束后,下午会有一场量子开发者大会。百度的这台量子计算机比IBM、阿里巴巴出现的都要晚,但它从一开始就是奔着产业化去的。

在软件与硬件之间,百度准备了一个叫量脉的接口。这是一个基于云计算的量子控制平台,用云服务和开源SDK来为量子控制提供手段。

在软件层面,百度推出了全球首个云原生量子计算平台量易伏,如果将乾始看作一个主机,量易伏就是一个前端的操作系统。这个操作系统在上周作为一个应用程序在iOS和安卓平台中上线,用户可以在量易伏上编程,并选择在量子模拟器或量子计算机上运行量子程序。

百度在2019年研发出了量脉,隔年推出量易伏(并未开放下载),直到现在乾始作为硬件的公开,一条清晰的从软件到硬件的道路显现出来。量子计算先驱、量子密码学的共同发明者Artur Ekert看来,百度在量子计算上的发展思路十分扎实。

大师门生

Artur Ekert20197月开始担任百度研究院顾问委员会委员,就在那一年前,段润尧离开悉尼科技大学进入百度。从清华到悉尼科技大学,段润尧的学术生涯一直师从量子计算领域的大师应明生,应明生在进程代数中的拓扑和量子程序的Floyd-Hoare逻辑方面贡献卓越。

《纽约时报》曾在2018年的一篇报道中提到,全球真正的量子计算科研人员只有几千人,中国量子计算领域起步较晚,可以想象人数会更少。这是个门槛极高的研究领域,能踏进来的人范围很窄。

而当下的活跃者,背后的脉络绕不开应明生和姚期智。

姚期智在2000年获得了中国至今唯一的图灵奖。2002年他回国来到复旦,与国内的计算机领域学者交流,当时作为清华大学计算机系导师教授的应明生将自己组里的学生打包送去上海,其中包括孙晓明和张胜誉。

 姚期智  图源:雷锋网
姚期智  图源:雷锋网

两人与姚期智在学术研究上的交集由此开始,之后孙晓明成为姚期智在清华指导的第一位博士生,几年后进入中国科学院计算技术研究所担任研究员。张胜誉则作为姚期智在普林斯顿的关门弟子赴美留学。

施尧耘同样师从姚期智,是张胜誉在普林斯顿时期的同门。姚期智在2011年赴清华开设交叉信息研究院,翁文康在两年后回国,2013年进入清华交叉信息研究院任职助理教授。段润尧则是孙晓明是清华时期的师兄弟,都曾师从应明生。

段润尧、张胜誉、施尧耘和翁文康,现在分别是百度、腾讯、阿里巴巴以及华为的量子实验室负责人——未来中国在量子技术在产业化上最核心的四家公司。

不确定性之外的普世价值

像是某种巧合,师从量子计算理论研究领域大牛的四人先后从学界跳出投身产界。与其他学科不同,量子计算领域的显著特点是其优越性会随着规模扩大而呈指数性的增长,这意味着对于产业化的考虑必须是前置的。

另一方面,行业内部的感知是,量子计算的发展也已经到了产业突破的临界点上。

悬铃木祖冲之号,在量子优越性上持续颠覆前者的量子计算原型机已经相继出现,而随着人类对量子比特的同时掌控数量能够稳定的达到100个以上,人工智能、密码安全等前沿领域的实际应用将会得到大幅度的推进——目前人类对量子比特的控制水平已经达到100个。

2031年,全球量子计算直接相关的产业规模可以达到8千亿元。另一方面,最近也有调研表明,重大企业中有将近70%都希望能够进行量子计算相关的布局,段润尧提到了这两个数字,外界对量子计算的感知渐强也在回应乾始的出现。

乾始和量易伏成为百度推出全球首个全平台量子软硬一体解决方案“量羲”的最后两块拼图。“量羲”集量子硬件、量子软件、量子应用于一体,成为一个模块化的量子计算开发工具箱,并且提供移动端、PC端、云端等在内的全平台使用方式。这一从应用入口到硬件控制的全流程打通,对于段润尧来说也是兑现了一份4年前的答卷。

百度、阿里巴巴、腾讯以及华为曾在2018年的中国计算机大会(CNCC)上有过一次同台。彼时百度量子计算研究所刚刚成立一年,段润尧在那时已表达了对于统一编程平台硬件接口的关注。

从这个角度看,百度从进入量子计算领域开始就站在一个相对终局的视角上。这条路长远来看收益更大,也有更多的不确定性。

目前学界将量子计算的发展分为三个阶段。

第一阶段的目标是实现量子计算优越性。即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机,这一目标已经有美国、中国和加拿大先后达到。

第二阶段的目标是实现专用的量子模拟机,可以应用于组合优化量子化学、机器学习等特定问题,来指导材料设计、药物开发等。达到这一阶段,按照目前的估计还需要510年,是当前学术界主要的研究任务。

第三阶段是在实现量子纠错的基础上,构建可编程通用量子计算机。由于技术上的难度,何时实现通用量子计算机尚未明确。

“学术界一般认为还需要15年至20年,甚至更长的时间”,中国科学院院士、“墨子号”首席科学家潘建伟表示。

这意味着乾始或者类似的通用量子计算机未来可能会长时间卡在一个外界看来粗糙或者无法解决实际问题的尴尬阶段。

 段润尧  图源:百度官网
段润尧  图源:百度官网

对此,段润尧也表示,乾始的意义不只在于去追求某些指标拿到业界第一,而是希望量子计算这件事能尽可能的普世化,让更多人形成认知,尽管这意味着可能无法体现这台量子计算机的全部性能。

这也是为什么百度开放上线了量易伏这个量子编程平台——大家都搞不懂量子计算,不如先玩玩看。这是百度务实的地方。

“21年前我在清华园里追随我的教授开始从事量子计算研究时,怎么也想不到今天也许一个高中生,甚至一个小学生,只要会写程序,就能通过我们的云端访问量子计算机。在几秒钟里通过手机上或者电脑完成当时一个顶尖团队、顶尖的实验物理学家花了数月或者数年都没有完成的实验 段润尧谈到量易伏时有些感慨。

“因为量子效应不可思议,所以最好的办法就是去实践,然后去接受它。  

参考资料:

《为中国做贡献》

《绝对零度与量子力学的本质问题》

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