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量子科技已經(jīng)成為國家重點發(fā)展的“先手棋”，基礎科普、人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)布局的工作，也在緊鑼密鼓進行。10月27日，百度無限“量”，大咖聊量子科普課堂線上開講，百度研究院量子計算研究所所長段潤堯，中國計算機學會高級會員段永朝和天體物理博士馬志博共同亮相，在演講與圓桌Panel中圍繞量子科技的技術(shù)前景、未來發(fā)展，及其對國家發(fā)展的戰(zhàn)略意義進行了研討與科普。活動中，段潤堯發(fā)表演講《量子計算的巨星之道》，從量子的整體發(fā)展歷程，講到百度量子的發(fā)展現(xiàn)狀、最新技術(shù)和應用成果，并表示當下是播種“量子樹”的最好時機。
段潤堯在演講中表示，近年來，量子科技在軟件、硬件和算法上取得巨大突破，整體認識水平的提升推動了量子研究領域的進步，同時，量子計算已經(jīng)成為面對一些科技瓶頸時的新選擇。百度2018年就以“百度量子、量子百度”為使命成立量子計算研究所，著力開展量子計算軟件和信息技術(shù)應用業(yè)務的研究。通過廣泛開展量子技術(shù)儲備、頂尖人才培養(yǎng)以及量子生態(tài)構(gòu)建，百度致力于建成世界一流的量子人工智能研究所，做好迎接量子計算時代的準備，最終實現(xiàn)“人人皆可量子”的美好愿景，讓每一個人都切實享受到量子時代的技術(shù)紅利。
此外，百度也希望通過積極創(chuàng)新孵化出全新的量子業(yè)務，從而為百度乃至于國家的經(jīng)濟發(fā)展提供新支撐。對于企業(yè)如何抓住量子機遇，段潤堯也給出了建議：“第一發(fā)力科學教學，未來量子計算機會成為我們最重要的工具；第二是培養(yǎng)頂尖人才；第三量子計算的爆發(fā)會為AI和云計算注入新活力；第四是產(chǎn)業(yè)升級，謀劃越早越好?！?/p>
我今天報告的標題是《量子計算的巨星之道》。很多年前，大家真正聽過量子計算的人可能很少，但是這兩年量子計算突然冒出來，將來會有更大的發(fā)展。這個過程非常艱難，但是大家已經(jīng)開始關(guān)注到它，所以很有必要把這個背景先介紹一下。
實際上，講到量子計算，一定要提量子力學，沒有量子力學也就沒有量子計算。量子力學的歷史已經(jīng)有120年。上個世紀初，普朗克已經(jīng)想到了量子力學的概念，發(fā)現(xiàn)這是一種和經(jīng)典物理學完全不一樣的現(xiàn)象，需要把原來認為連續(xù)的能量看成離散的、一份一份的，才能解決黑體輻射的問題。在這之后，天才輩出，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光子也是一種量子現(xiàn)象，提出“光量子”的概念。之后玻爾發(fā)現(xiàn)原子軌道離散化，然后還有德布羅意、海森堡、薛定諤以及狄拉克等非常偉大的物理學家一道，最終建立起整個量子力學，發(fā)現(xiàn)了微觀世界的規(guī)律。這中間的過程非常復雜和曲折，但有意思的是，如果學數(shù)學和計算機的話，有兩個必須知道的名字——希爾伯特和馮·諾伊曼，他們兩人 在30年代，把量子力學用四條公理解釋出來。通常在科普報告里講量子力學，我只會講量子現(xiàn)象的神奇，但是今天要把全部的量子力學展示出來，因為經(jīng)過希爾伯特和馮·諾伊曼的努力，只要四條嚴格的數(shù)學公理就能精確刻畫出量子系統(tǒng)應該遵循的規(guī)律。
第一條，想在數(shù)學上刻畫出一個系統(tǒng)的狀態(tài)，是用希爾伯特空間，也就是帶有內(nèi)積的復線性空間，其狀態(tài)由空間里面的一個單位長向量完整刻畫，這是非常精確的描述。系統(tǒng)隨著時間的變化而變化，它的規(guī)律是什么呢？這就是著名的薛定諤方程，或者用酉矩陣來表示，這是第二條。第三條，如果觀察系統(tǒng)的變化程度，從里面獲取信息，就有所謂的量子測量。量子測量可通過簡單的共軛矩陣來刻畫。第四條，多量子系統(tǒng)可組成多體量子系統(tǒng)，就可以用張量積描述其系統(tǒng)狀態(tài)。
剛才我開玩笑說量子力學只要花兩個小時就可以精確解讀，所以如果要想真正了解量子計算，第一步要先花兩個小時好好解讀它。有人問學它的用處，它確實不能馬上幫我們解決很大的問題，但是可以嚴肅的說，學了這個，至少可以防止被忽悠。如果有人跟你講量子但不知道四條公理，你就能判斷肯定有問題。
接下來就是大家比較熟悉的，只要用到大學一、二年級線性代數(shù)描述的東西，就會衍生出非常奇特的現(xiàn)象。第一個是量子疊加，一個狀態(tài)既處于0又處于1的特殊狀態(tài)，本質(zhì)上是因為是它是線性空間向量，有可以處于兩個基狀態(tài)的疊加的可能。最有名的就是薛定諤的貓，可能處于死或者活的疊加狀態(tài)，這是量子力學第一條公理最自然的推論。第二條是相干性。在經(jīng)典計算里面，你輸入0最后結(jié)果是0，你輸入1最后結(jié)果是1。但是量子里面還會有處于疊加的輸入，最終可能會有兩條路徑同時進行計算，但最后它們可以完成消除成為一種操作，它們互相會發(fā)生干涉，就是量子相干性，這種相干性導致量子很多時候和經(jīng)典的相干性完全不一樣，這就是我們量子計算里面很多能力的來源。第三條是量子糾纏，也是大家非常熟悉的概念。兩個系統(tǒng)最終會處于一個非常特殊的狀態(tài)，你必須要把它看做一個整體，如果你對其中一個有任何操作，哪怕是相隔千山萬水，你也可以預測到另外一個的關(guān)系和變化，當然這個變化有條件，所以它并不違背所謂的信息傳遞不能超過光速。
這三條都是上述公理自然的推論，但保證了后續(xù)基于量子力學的信息處理模式有超強的能力。常有人拿第一條舉例說并行計算，實際上是三條同時作用。有了這個，可以快速過渡到今天我們關(guān)心的狀態(tài)。物理學家數(shù)學家花了二十多年，終于把量子微觀世界的規(guī)律總結(jié)成非常簡潔明了的四條，對世界產(chǎn)生巨大影響；核反應、激光、NMR核磁共振，還有手機上的晶體管都是基于量子力學的基本原理。第一次量子革命就是指量子力學的建立及其直接應用。今天講量子科技的概念，是指量子科技要在這個基礎上進一步深化，不只是整體對材料進行應用，而是希望能夠操控到具體的量子系統(tǒng)，能定制量子態(tài)，把原來抽象的量子態(tài)和量子系統(tǒng)當成一種資源使用，而不僅僅是研究其表象。之所以稱為新量子革命，或者第二次量子革命，因為有可能還要進一步革命。
這個事情的影響非常深遠，因為通信模型如果以量子力學作為基礎，可以衍生出量子通信。1936年圖靈提出來的計算模型和量子力學結(jié)合起來就是量子計算。依此類推有很多方向，因為量子力學是非?；A的物理理論，很多原有方向加上量子力學后會產(chǎn)生新應用。
新量子革命雖然大家聽的很多，但能不能直觀表達它的意思呢？其實我們希望把微觀的量子現(xiàn)象最終以宏觀技術(shù)的形式展現(xiàn)出來。原本微觀世界摸不著看不見，但是通過量子計算機可以對它進行編程和操控。我個人認為量子計算在整個新量子革命中處于一個至關(guān)重要的位置，將來的計算應該以這個作為基礎。也有人問量子計算之后會不會有別的計算？目前來看這可能是我們能達到的極限。
為什么要做這件事？最重要的一個原因是真實的世界都是量子系統(tǒng)，但是如果真正模擬系統(tǒng)，會發(fā)現(xiàn)它的參數(shù)是指數(shù)之多，很難有效模擬。所以1982年物理學家費曼提出來，模擬量子物理系統(tǒng)必須用具有量子效應的計算機。這是極大的驅(qū)動力，量子模擬正是量子計算以及整個量子信息科學應用的核心。
另外一個原因，關(guān)乎現(xiàn)有的計算。隨著芯片線路尺寸逐漸接近量子尺度，達到7納米以后，會不可避免的出現(xiàn)量子效應，像量子隧穿，從而沒有辦法按照經(jīng)典電磁學的方法真正進行控制，這種情況就需要考慮新模式。此外，當前芯片發(fā)熱研究發(fā)現(xiàn)一個大問題，再過二十年以后，計算機消耗的電量可能會超過人類的總發(fā)電量，損耗很大，急需要新模型來解決?？梢宰C明，量子計算其實不消耗能量，消耗能量是因為現(xiàn)在的實現(xiàn)過程有一些問題。
大背景之下，量子科技興起非常自然，我國在本世紀初就定了國家規(guī)劃，把量子計算作為重點來抓。最近，習總書記講話真正使我們認識到量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，所以現(xiàn)在要做好戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局。
國際上，主要發(fā)達國家，比如美國、澳大利亞、歐洲、日本都已經(jīng)展開布局，連新加坡也有很多量子工程的布局。這種情況下，我國肯定也需要考慮。
量子技術(shù)的趨勢是一個非常自然的結(jié)果。摩爾定律結(jié)束以后，必然會考慮量子效應，芯片怎么進行信息處理，量子信息天然的優(yōu)勢使得它可以做隱私保護。經(jīng)典信息是可以被克隆的，但是量子信息是一個未知的狀態(tài)，沒有辦法被精確復制，因此量子信息本身是具有安全性的。目前，已有很多人在進行相關(guān)研究。
像百度這樣的AI公司，自然也希望隨著AI技術(shù)的進一步發(fā)展，找到AI技術(shù)的突破口，把AI應用到量子計算里面。反過來，我們也希望量子計算能為AI的發(fā)展提供新的動力，最終真正完全實現(xiàn)量子計算，使我們的計算和信息處理都可以通過量子計算和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，這是我們的期望。
現(xiàn)在硬件的發(fā)展已經(jīng)達到所謂的NISQ時代。目前，國際公司大概可以做出50個量子比特的芯片，這個芯片可以做一些現(xiàn)有的計算機沒辦法做的事情。但是芯片本身噪音很多，而且不能糾錯，所以不能進行完全的計算，只能做一些特定的任務。這個過程會持續(xù)很長時間，想要完全實現(xiàn)量子計算需要十年左右。在這個過程中到底能做什么是現(xiàn)在研究的熱點。國外一些大公司早已展開布局量子計算，尤其是IBM。IBM對技術(shù)的投入非常之早，早在上個世紀80年代，他們已經(jīng)有像Charles H.Bennett 這樣的大科學家從事可逆計算的研究。這里特別提到2016年這個時間節(jié)點，是因為2016年他們推出了云上小型量子計算機供大家使用。
國內(nèi)幾家代表性的公司在過去三年內(nèi)也已經(jīng)做了布局。很多初創(chuàng)公司非常優(yōu)秀，也有很多科學家組建公司去做量子這個事情。大家的熱情高漲而且非常有信心，實現(xiàn)的方案各不相同，提供實現(xiàn)的情境也各種各樣。當然還有很多科研院校也在做。國內(nèi)現(xiàn)在幾乎找不到一個完全沒有量子計算和量子科技相關(guān)專業(yè)的學校，總有那么幾個人做這方面的事情。我們很難預測一個準確的時間點，但這個趨勢是很明顯的。
百度本身是一個有技術(shù)信仰的公司，對量子計算等新的方向關(guān)注也很早。2018年3月8日成立了量子計算研究所，用八個字概括它做的事情，就是“百度量子，量子百度”?！鞍俣攘孔印钡囊馑际且ㄔ煲凰澜缫涣鞯牧孔佑嬎阊芯克?，幫助我們做好迎接量子計算時代的準備。“量子百度”是指在這個過程中，研究所要和百度的核心業(yè)務、核心技術(shù)結(jié)合，真正的把整個核心技術(shù)升級成以量子計算為基礎的技術(shù)。
我們未來主要是想做三個方面的事情：最核心的是量子人工智能的應用，因為最終技術(shù)要為人所用。另外，量子計算機想要發(fā)揮作用需要好的算法，所以我們需要研發(fā)更多好的算法，比如搜索、模擬、安全計算等方向。在最底下還需要一個架構(gòu)進行支撐，而且我們需要有自己的編程平臺，需要有一些分布式互聯(lián)的設施，也需要和硬件互聯(lián)的接口。很多人問有沒有硬件？實際上，我們采取了更好的一條路徑。量子硬件的方案僅我知道的就有七、八種，到底最后誰勝出目前還不清楚。所以仍然有很多事情可以做，我們希望通過更靈活的接口來解決硬件互聯(lián)的問題。最終我們希望打造“人人皆可量子”。什么意思呢？大家都知道，平等獲取信息是非常重要的，互聯(lián)網(wǎng)某種程度上講解決了這個問題。量子信息作為一種尖端的科技，希望未來人們也能夠有平等獲得的權(quán)利，這是我們希望達到的目的和愿景。
很高興的告訴大家，我們的戰(zhàn)略規(guī)劃已經(jīng)有了一些初步的實現(xiàn)，我們做了百度量子平臺。其中包含量易伏，一個云原生的量子編程平臺，是國內(nèi)第一家，性能非常強大。程序員可以通過這個平臺和硬件實現(xiàn)互聯(lián)，從而有使用量子的能力。量脈則是實現(xiàn)軟件和硬件相互轉(zhuǎn)化的工具，也是一個云計算平臺。還有一個就是量槳。今年5月20日，CTO王海峰老師發(fā)布百度基于飛槳做的第一個工具集Paddle Quantum，這意味著之后深度學習開發(fā)者可以通過百度飛槳最終調(diào)用到量子的能力，也可以反過來調(diào)用飛槳的能力做量子科技的研究。圖中最上面的是應用，可以是為科研工作人員或者教育工作者服務，也可以在工業(yè)界應用，也可以應用于人工智能。通過中間開發(fā)的工具集，最終可以和硬件處理器或者模擬器進行互聯(lián)，大家去百度量子平臺看看，是可以免費使用的。這是我們非常核心的一個產(chǎn)品，未來會持續(xù)更新。
再提一下量子計算的應用。量子計算作為一種非常底層的核心技術(shù)，在現(xiàn)在計算機應用的很多場景里都可以找到。特別值得提的是安全場景，量子計算機擅長破解RSA密碼系統(tǒng)，將來如何保護隱私，都是需要用量子方法去解決。量子安全計算、信息安全，以及量子和后量子密碼都會作為非常重要的研究方向。
另外一個就是材料模擬。如果我們想找到一個好材料，是需要做大量的模擬，需要根據(jù)量子系統(tǒng)的能量去模擬，非常費時費力，而且沒有更好的辦法。但現(xiàn)在所有量子系統(tǒng)都可以利用量子計算機進行快速的模擬，當然要是自然的、不能是假設的系統(tǒng)，這是一個非常重要的應用。
還有就是生物制藥。現(xiàn)在人類面臨最大的挑戰(zhàn)就是糧食問題。如何提高糧食的產(chǎn)量，哪怕只提高一點點都非常有意義。如果我們用量子計算方法，通過化學模擬找到一些肥料或者類似的東西，就會很有意義，更不要說疾病。Robin說人工智能讓人類獲得永生，通過數(shù)字化來保留人的很多信息。但是如果把量子加上去，通過研發(fā)新藥，人類就可能會更加長壽健康。
最后就是人工智能，這也是短期內(nèi)大家比較期望的東西。
特別提一下，所有美好的愿景最后都是需要靠人去推動?，F(xiàn)在面臨一個問題，從幼兒園、小學，到大學里面，幾乎沒有專門講量子計算或者量子科技的課，量子力學也不是每個專業(yè)都要學習的。但是量子應該像牛頓力學一樣，需要大家慢慢的嘗試。有的人說小孩子不理解，不理解沒關(guān)系，先記住再慢慢理解。他先花兩天記住，花二三十年理解，到了二三十歲的時候再開始做研究也挺好的。教育研究這塊一定要抓，美國已經(jīng)非常超前，出臺了最新政策，保證小學生、中學生要開始接受這方面的教育。量子科技人才隊伍的培養(yǎng)勢在必行，在這次習總書記的講話里這是非常重要的一條。量子科技方面的人才培養(yǎng)是非常重要，需要整個教育機制去做。
再跟大家分享一件開心的事情。實際上，百度在人才培養(yǎng)方面已經(jīng)開始在行動。關(guān)注IT的朋友會知道百度有一個競賽叫百度之星，今年是第16年，5月份的時候我們決定把題目改成量子計算。10月18號比賽題目就是以量子計算為核心問題，用量子電路合成來命題。最開始我們都捏著一把汗，因為這些同學好多都是初中生、高中生，還有一些大學生博士生，大多是IT的，從來沒有接觸過量子的概念，也沒有這方面的知識。出乎意料的是他們的比賽成績都非常好。量子計算其實也要從娃娃抓起，這次比賽最小的學生陳奕帆才小學六年級，后來CTO王海峰老師給他頒了“未來之星”獎。我在現(xiàn)場看到他非常敏捷的進行編程的時候，非常感慨，后浪太可怕了。
量子科技這樣新的革命來臨的時候，我們應該怎么做？我的建議是，一定要產(chǎn)學研結(jié)合。作為產(chǎn)業(yè)界，中國的公司包括百度在內(nèi)已經(jīng)在布局，而且已投入好幾年。學校也要開始做這方面的準備。百度之星比賽就是我們的試金石，接下來我們也會繼續(xù)行動，希望能夠真正推動它在IT界的普及。當然很重要的還有科研機構(gòu)也需要產(chǎn)業(yè)化。三者之間應該是互助共贏的關(guān)系。
百度希望把技術(shù)向用戶、合作伙伴、開發(fā)者朋友們分享，希望我們的技術(shù)能夠被他們所用。而且百度也有很多硬件選擇，所以希望能夠和各個硬件提供商進行良好的合作。同時，百度與學校的合作也在進行中，包括清華大學、悉尼科技大學、巴塞羅那自治大學，還有新加坡國立大學。同時，我們也資助量子領域的頂級會議，這個領域相對比較新，疫情期間就資助了一家會議召開。這里我想說，我們最后還會把這些貢獻成BQP（Baidu Quantum Program），一個百度的量子綱領，作為一個文件供大家使用、參考。我們也有非常高端的專家來幫我們提出建議，比如量子密碼的發(fā)明人之一Artur Ekert，也是牛津大學教授，量子領域的元老。這是我們希望打造的可持續(xù)開發(fā)的量子計算生態(tài)。
最后做一下展望?，F(xiàn)在我們處于天時地利人和的狀態(tài)。這種狀態(tài)下，量子科技到底能夠在哪些方面帶給我們改變，哪些方面又需要特別關(guān)注？以下是我個人的一點淺見。
第一條是科學、教學方面?？茖W方面，我們現(xiàn)在也意識到，做科學研究、探索世界是人類最重要的事情，因為認知水平?jīng)Q定了時代文明的程度。這種情況下，量子計算機就像經(jīng)典計算機一樣，將來會成為我們最重要的一個工具，成為只要踏足世界就根本離不開的基本的東西。特別是量子力學會和別的學科發(fā)生關(guān)系，比如物理兩大基礎，一個是量子力學，一個是廣義相對論，這兩個東西無法合并，但是科學家發(fā)現(xiàn)，如果用量子糾纏、量子信息概念去研究，會出現(xiàn)很有意思的東西，比如霍金現(xiàn)象就會得到解釋。第二個就是頂尖的人才。目前還非常稀缺，非常亟需解決。經(jīng)常有人問我量子力學是不是已經(jīng)有泡沫了？有沒有泡沫我不知道，但是人還沒有。從小學、中學、高中到大學，每個層次的人才都需要布局，人才是不能速成的，需要長期培訓。第三點是應用。年初，當時我和CTO王海峰老師進行討論，最后我們逐字逐句的發(fā)布了一個百度研究院對科技趨勢的十大預測，其中特別提到量子計算將會爆發(fā)，會為AI和云計算注入新活力?，F(xiàn)在看來當時預測有可能是對的。第四條是產(chǎn)業(yè)的升級?，F(xiàn)在“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)變成一個共識，每個行業(yè)都會跟互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生關(guān)系?，F(xiàn)在已經(jīng)有智能經(jīng)濟的概念，那么智能革命之后，量子如何進一步升級，這與每個行業(yè)都息息相關(guān)。越早做謀劃，后面就會越得心應手。這些合起來就是一個STAR，希望我們最終能夠看到量子科技之星冉冉升起。
中國有句古話“前人栽樹，后人乘涼”。樹除了讓人心情愉悅，最大優(yōu)點是特別能活。目前最長命的樹是歐洲瑞典的一棵活了9500多年的樹，它的樹干每隔600多年換一次，但是它的根已經(jīng)活了9000多年。所以，現(xiàn)在正是我們播種“量子樹”最好的時機。謝謝各位！
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