打破“量子无用”谬论，一文读懂量子计算为何如此重要

电子发烧友网报道（文/黄山明）说起量子力学，与相对论同样为20世纪初所诞生的新兴学科，并且人类过去一百年来的技术进步，基本依赖于消化量子力学。当然方式比较单一，通常是由量子力学到新材料，再由新材料到各类应用技术，比如半导体材料导致的计算机诞生。

而量子计算则是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，它与现有计算模式完全不同。就在8月25日，百度正式发布了集量子硬件、软件平台、量子应用的产业级超导量子计算机“乾始”，并据此形成了全球首个全平台量子软硬一体化解决方案“量羲”。实现了量子芯片到量子应用的转化，从而让量子从实验室走向产业化。

百度超导量子计算机“乾始”

为什么要发展量子计算

尽管对于大多数人而言，量子技术距离普通人生活过于遥远，但相关技术已经对人们的生活影响深远。比如芯片的发明与量子技术密切相关，芯片中主要依赖晶体管搭建而成，而一颗芯片中往往包含上百亿晶体管，在如此小的空间内集成如此多的晶体管，已经无法用经典物理学来解释现象了。

此外，包括材料学、化学、固体物理、核物理的理论基础都来自量子力学，现代科学的核心科技，大半都与材料有关，可见量子力学对现代科学的贡献之大。

但除此之外，量子理论却很少被直接应用，否则根据量子力学的原理，瞬移、分身、穿墙等神奇操作都能实现。

另一方面，在理论物理上，人类已经停滞了许久，剑桥大学物理学家尼尔·图罗克表示，从1970年以后，所有的物理理论工作都还没有产生一个成功的语言。即便是上帝粒子与引力波的验证，也都是上个世纪的理论了。

因此，想要继续发掘自然规律，要么去深度研究相对论，要么去从量子力学中寻找新的机会，即通过非材料的方式来开发量子力学，如今的量子计算是其中的一种。

显然，从选择来看，第二条路会更靠谱。如今百度“乾始”产业超导量子计算机的发布，便是量子力学新应用的佐证。此外，还有如量子显微镜、量子通信等，都证明当前科学界向着量子力学的第二条道路发起冲击。

所谓量子计算机，便是使用量子器件制造，利用量子的叠加与纠缠特性，运行量子算法与量子软件的新型计算设备。在处理某些特定问题上相对经典计算机有指数级别的运算优势，如密码分析、气象预报、药物设计、石油勘探等大规模计算难题提供解决方案。

据百度首席技术官王海峰透露，经典计算机算力与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个月增加一倍，这便是经典的摩尔定律。

而量子计算机的算力，随着量子比特的增长呈现指数级增加，每增加一个量子比特，算力便增加一倍。或许在几十个量子比特时，算力优势不明显，但随着量子比特增加至上百、上千乃至上万个，其优势将非常突出。

量子计算机的优势

据相关数据统计，量子计算产业化正进入爆发式增长阶段。IDC报告预计，全球量子计算市场将从2020年的4.12亿美元增长到2027年的86亿美元，6年复合年增长率超过50%。百度量子研究所所长段润尧表示，2031年量子计算产业规模预计达到8000亿元，69%的全球大型企业计算将采用量子计算，百度也在为此做准备。

世界各国和各大高科技公司围绕量子科技进行紧密布局。2018年，欧盟投入10亿欧元实施量子旗舰计划。2018年，美国通过《国家量子倡议法案》旨在确保美国在量子信息及其应用方面的持续领导地位，提出《无尽前沿法案》计划投资1000亿美元在量子计算等10个领域。

此外，诸如谷歌、IBM、微软等美国公司都在加快研发与布局量子计算平台。国内如百度、阿里巴巴、腾讯、华为等都在量子计算方面进行了布局。2019年谷歌在超导量子芯片上实现了量子霸权，2021年中科大在超导和光量子两种平台上也实现了量子优越性，这一系列成果展示了量子计算的巨大潜力。

百度量子自2018年3月成立以来，致力于打造全球领先的百度量子平台，先后发布了国内首个云上量子脉冲系统“量脉”，全球首个云量一体的量子机器学习平台“量桨”，全球首个云原生量子计算平台“量易伏”，集教材、视频、课程和编程一体化的量子学习知识库“量易简”。



聚焦以QIAN命名的战略发展方向，即量子基础研究突破（Quantum），量子基础设施建设（Infrastructure），量子应用研发落地（Applications），量子生态网络构建（Network），全力打造量子软硬一体化解决方案，加速量子计算产业化进程。

据官方资料显示，此次发布的量子计算机“乾始”平均T1时间长度31.0μs，平均T2时间长度8.7μs。在软件平台方面，“乾始”可以通过云服务获取强大量子算力，提供人人皆可量子的产业级量子计算即服务。

我们都知道，经典计算机主要是通过0与1进行数据处理，这意味着需要将所有的操作指令，都转化成长串的0与1的二进制，即便如今计算机处理器浮点运算速度已经达到每秒超万亿次，但实际上可能干不了太多事情。

而量子计算机则是量子叠加态的直接使用，也就是可以将多组数据叠在一起，同时运算，这被称为并行计算。而一个量子态可以同时包含2个信息，比如在量子世界中，一只量子猫在没有被观测的情况下，可以既是白猫，又是黑猫，只有观测以后才会确定其真正的颜色。

这也意味着，两个量子态就可以包含4个信息，3个量子态便是8个信息，以此呈现指数增长。要知道普通的64位处理器一次只能塞入64个信息，而10个量子态一次便可以塞入1024个信息。

以此来推算，当拥有50个量子态时，计算性能将达到目前顶级超算的水平，如果将量子态数量扩大到100个，将达到全世界计算能力总和的100万倍，这便是量子计算机的巨大优势。

量子计算是个长期工程

当前量子计算属于一个高门槛、高投入、高风险、高回报的行业，并且量子技术是跨系统的工程，因此量子计算仍然存在极大的挑战，全链条技术环环相扣，科学和工程挑战巨大。段润尧提到，量子计算比如在芯片设计、硬件平台、软硬接口、噪声处理、操作系统、云平台、应用平台、应用算法、量子幅度等方面，都存在着不小的挑战。

在量子处理器上，目前百度10量子比特芯片已上线，36量子比特芯片已完成设计，将投入流片。段润尧表示，希望与硬件团队进行进一步合作，将量子芯片做好。预计将在2028年实现量子比特达10000以上，进行可容错的量子计算。

应用上，目前主要包括量子模拟、组合优化、量子机器学习等方向，旨在探索分子化学，药物研发，量化金融，交通规划，人工智能、和密码安全等领域潜在的解决方案。比如量子化学上，使用百度超导量子计算机计算氢化锂分子基态能量，验证量子计算潜力；图像分类上，使用百度超导量子计算机对是否有裂缝的建筑墙体图片进行了分类。与经典算法相比，量子算法在保证分类准确率相同的同时显著降低了模型参数量，显现出了构建更复杂模型的潜力。

需要明确的是，量子产业想要做到突破需要各个产业通力合作，创造量子计算的生态环境。中国科学院物理研究所研究员范桁表示，中国在量子计算暂时处于追赶者的状态，量子计算云平台市场巨大，比如在IBM上做科研，一年需要10万元，而其上有20万用户，市场想象空间巨大。

北京量子信息科学研究院研究员金贻荣表示，当前在芯片上做200-300个量子比特并不难，难点在于将上面的量子比特耦合起来，还需操控每个独立的量子比特，同时还要注意量子比特之间的串扰以及频率拥挤的问题。

目前量子计算仍处于初级发展阶段，发展这项技术是一个长期工程，要以建设科技树，而不是护城河的心态投入进来，相关从业者需要拿出更大的胸怀，更长远的视角，共同将产业做大。