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自此乾坤始:中国量子计算产业化的激变时刻

2025China.cn   2022年08月29日

  说起“量子计算”,你先想起什么?是“遇事不决,量子力学”的玄乎概念,还是谷歌/IBM等科技巨头为实现量子计算应用价值的神仙斗法?或许在抛脑洞和掰手腕之间,还有另一种选择,那就是一步一个脚印地朝着量子计算的山峰攀登。

  与经典计算相比,量子计算的最大特点是它能够进行强大的并行计算,根据理论设想,由几百个量子比特构成的量子计算机,利用量子相干叠加原理,计算能力随可操纵的粒子数呈现出惊人的指数增长,为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供解决方案。

  2012年,物理学家约翰·普莱斯基尔(JohnPreskill)提出了量子计算的“三座里程碑”,也被国际公认是达成通用量子目标的三个阶段——第一座山:量子霸权。它指的是造出在某个问题上超越经典计算机能力的量子计算机。谷歌的悬铃木、中科大的九章、祖冲之等,都已经相继在特定任务上实现了量子计算优越性。不过,为量子优越性打造的量子计算机,是针对特定任务进行精心设计的,主要意义是证明量子计算的潜力。想要让量子计算来解决实用问题,就需要跨越第二座山:实用量子模拟机,制造出专用的量子模拟机,对量子体系进行精准制备、操控与测量,为走入商用做准备。第三座山,是最终、也最困难的目标,研制可编程的通用量子计算机。

  显然,罗马不是一天建成的,量子计算对于今天的中国,是一场任重道远的旅程,但欣慰的是,一批中国科技人已经迈出了脚步。九章、祖冲之等量子计算机的突破,证明了中国量子在学术科研领域达到了国际一流水平。8月25日,“量见未来”量子开发者大会在北京举办,会议期间,百度对外发布超导量子计算机“乾始”,并推出全球首个全平台量子软硬一体化解决方案“量羲”,则标志着中国在量子计算产业化上进入全球第一梯队。

(百度量子计算产业化成果“乾始”“量羲”发布)

  百度率先将量子硬件、量子软件、量子应用集成于一体,并提供包括手机端、电脑端、云开发等在内的全平台使用方式,直接降低了量子产业应用门槛,则让量子变得触手可及。这一成果所传递出的信息让我们相信,是时候尽快和大家一起学习和了解量子,更重要的是,了解量子计算产业化所带来的新机与变化。

丈山:

量子计算山高路远,但沿途皆是风景

  讲一个有趣的见闻,在某次媒体座谈会上,我见证了一群民生记者、金融记者、科技记者、物理自媒体人等聚在一起谈论量子计算的场面,大家一直在争论量子计算到底有没有应用价值,能用来做哪些任务,经典计算真的做不了吗。这其实是大众面对量子计算时,最容易出现的一种想法,就是将发展量子计算与经典计算进行似是而非的对比,很像1825年9月“旅行者号”机车正式试车时,一些人赶着马车与其赛跑,还真的能与火车并驾齐驱,但蒸汽机车所开启的交通和空间革命,显然是马车所不可比拟的。

  提出量子计算阶段论的物理学家约翰·普莱斯基尔,把当下这个时代,称为“嘈杂中间尺度量子”(NISQ)时代,在实现50-100量子比特的中型量子计算机后,便可将其应用于探索更多现有经典计算机无法进行但更具开拓性的研究领域。

  通用量子计算的终极目标固然山高路远,但沿途亦是风景,量子计算进入更有价值的应用阶段,其实离我们比想象中近得多。量子计算的产业化价值,表现在近景和远景两个方面。

  从近处看,量子应用已经启航,应用场景不断被挖掘。量子计算虽然目前还不能广泛应用到各种场景当中,但在某些特定领域的商用价值已经可以开始显现。比如迪拜水电局(DEWA)就正在与微软合作开发新的量子解决方案,利用量子驱动的Azure服务,解决能源优化问题。埃克森美孚、英国石油公司等也与IBM达成协议,利用量子计算应对计算挑战,开发下一代能源和工业解决方案,提高效率并降低碳排放的潜在影响。

  从远景看,量子计算支撑数字经济,产业化赛道正在扩张。量子计算与AI技术、经典计算相结合,形成更强大的计算能力,再通过集成到云端,为千行百业所用,对发展数字经济大有裨益。《OECDDigitalEconomyOutlook》明确将人工智能、分布式技术、量子计算列为数字经济的三大引擎,《国家十四五规划与2035年远景目标纲要》也提出,打造数字经济新优势,要加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术。

  或许我们无法理解量子纠缠的神秘,但至少已经明确知道一点:那就是量子计算绝对处在一边研发、一边受益的阶段,其产业化会比想象中来得更快,势能也更加迅猛。

  薛其坤院士、潘建伟院士、俞大鹏院士也在此次活动视频致辞中提到,各方要共建可持续的量子生态发展环境,推动量子计算产业化进程。

攀登:

百度为代表的中国产业力量

  量子计算产业化对于国家与社会都有着直接强烈的价值,提早布局当然好处更多,但技术从实验室到产业化的大门却没那么容易推开。将量子技术应用于真正的生产生活,量子计算产业化具有很多挑战。

  首先是硬件。经典计算的发展历史告诉我们,当硬件变得可用时,会刺激和加速新算法的发展。同样的情况也会在量子计算机上发生,因此量子计算产业化首先要解决硬件难题。一方面,量子计算机的技术实现路线有很多,各家厂商都有自己押注的方向,哪一条路线会跑到最后还未可知;另外,商用量子计算机要求较强的工程化、通用性能力,解决噪音、稳定性、容错、通用任务等问题。技术领先与自主可控也至关重要,量子计算已经成为国家科技竞赛的焦点,硬件自研为产业发展奠定技术基础和支撑。在核心的量子计算硬件层面,有资格参与的玩家不多,谷歌/IBM/微软/英特尔等科技巨头在参加量子计算机的赛跑,国内以中科院、中科大、清华大学等顶尖科研机构为主,企业中具备超前布局和研发能力的则是百度、华为、阿里等头部企业。

  其次是软件。相比经典计算机,量子计算的应用条件和应用适配性都无法同日而语,目前主流的量子应用是高校、学术机构、大型企业通过云端进行访问量子计算机。量子计算产业化离不开强大稳定的量子操作系统来“承上启下”,向下对接芯片处理器等硬件,向上支撑中间件、数据库、应用软件与服务等,以及不断丰富与实用的量子应用程序。目前国际上谷歌、IBM等公司陆续公布了各种量子计算的编程框架及软件库。国内,也出现了百度的量子机器学习开源框架量桨、百度量子操作系统量易伏、华为的量子计算软件云平台HiQ等产品。

  接下来是生态。经典计算中,国产硬件和操作系统难以突出外企重围的关键因素,就是生态建设的相对匮乏。幸好在量子计算中,中国有着并驾齐驱的技术优势,谁能吸引庞大的量子用户群体,构建起量子计算系统所适配的应用生态,就能形成产业级先发优势,避免掣肘于人。这就要求量子硬件与服务能够展现出与产业场景的契合度、商业可行性,打造面向未来的生态系统。除了各个科技企业加大生态扶持之外,近年来各地方政府也在量子计算规划下积极培养量子相关方向的产业生态集群。

  理解了量子计算产业化环环相扣的难点之后,下一个关键词是:破局。这是对中国量子产业力量的考验,也是百度量子实验室所瞄准的方向。

  这次百度发布的量子计算软硬件解决方案,让人眼前一亮的地方在于,采取了硬件、软件、生态齐头并进、协同突破的发展路线,其中颇多可解读之处。

  硬件方面:超导技术体系+产业级“开箱即用”+底层自研能力。“乾始”超导量子计算机,有三个核心特点,一是采用超导技术体系。实现量子计算机的技术路线有很多,比如谷歌、IBM、中科大祖冲之都采用的超导路线,英特尔专注硅量子点技术,九章则采用光量子技术。相较之下,超导体系扩展性好,量子比特相干时间长,操作速度快,保真度高,加工工艺成熟,这使得“乾始”未来更容易被产业化应用。二是“开箱即用”的产业级交付。“乾始”不是一台只有量子芯片、稀释制冷剂等组成的“裸机”,还搭载了自研量子操作系统量易伏、量子测控平台量脉以及丰富的量子应用程序,相当于一台电脑已经预装好了各种应用,消费者拿到手可以直接使用,不用额外找人装机。三是保证了稳定优质量子计算服务的提供,“乾始”量子硬件平台已经搭载了10量子比特高保真度超导量子芯片,确保了在核心技术上的领先性与自主可控。

  软件方面:软硬一体+全链条+全平台。现阶段量子计算领域痛点之一是量子硬件和量子服务割裂。国内外众多高校都有自己的量子硬件实验室,但难以将量子算力转化为用户触手可及的量子服务。因此国际上也出现了很多软件创业公司,比如总融资近2亿美元的RigettiComputing,在研究量子处理器(QPU)、控制系统、编程工具等等。英国公司CambridgeQuantumComputing为商用量子计算机提供工具开发服务。百度量子的不同之处在于:第一,软硬件一体。凭借量子硬件自研的技术优势,“量羲”得以实现操作系统对软硬件的深度协同,对量子算力进行充分释放、调度和分配,帮助行业内企业建立软硬一体化的量子能力。第二,全链条。借助百度量子近五年研发所沉淀的各类工具套件、软件应用与开发经验,“量脉”把软件的门电路实际翻译成一系列的量子脉冲信号,云原生的编程平台量易伏,量子学习工具集量桨,打通软件、硬件、应用三位一体的链条,这些技术和工具产品通过“量羲”解决方案及服务向外输出释放,降低量子应用的门槛。第三,全平台。“量羲”提供手机端、电脑端、云开发等多种使用方式,让量子的魅力“触手可及”。

  对于硬件厂商来说,可以专注于提高量子硬件性能,无需担心硬件转化为服务的问题,不同种类的量子芯片都能方便地通过百度量子平台对外输出量子算力,通过“量羲”可以“即插即用”释放算力;对于开发者来说,无需开发控制系统和量子编程语言,也无需自己搭建量子机器,通过“量羲”就能直接调用底层量子算力并进行量子应用、量子算法的全流程开发。对产业用户来说,基于“量羲”的量子云服务或者私有化部署,能够打造出量子化解决方案,支撑量子在产业场景中落地。总的来说,“量羲”作为量子计算产业化的服务之“魂”,正在让量子计算产业化变得简单。

  生态方面:量子产业化全流程打通+产学研用一体化打通。当量子计算开始迈入产业化轨道,意味着产业生态的汇聚和成型。百度量子一方面,将量子应用、量子平台、量子硬件进行了融合和高度集成,通过“乾始”+“量羲”实现了从底层硬件、中间操作系统到上层应用软件全流程打通,搭建一条从微观量子世界通往宏观现实世界的桥梁。

  另一方面,量子计算只有走出实验室、走向产业原野,为更多企业所采用,才能帮助中国量子领跑世界。面向学术界,百度量子与中科院等学术机构合作,接入多种量子硬件;面向产业界,百度积极推动量子计算产业化,不断降低量子计算的学习、应用和开发门槛,补齐了量子技术到广大用户的最后一环。

  基于关键环节的连通,百度铺好了量子产业化的康庄大道,量子科技生态不断汇聚、可持续发展,生态中的每一个人、每一家企业,共同组成了中国在量子科技竞赛中处于优势位置的关键力量。

  正如百度CTO王海峰在量子开发者大会上所说,科技创新只有真正应用于产业,在实践中验证其价值,才有长久的生命力。而量子计算产业化是发挥量子价值的重要方式,最终惠及每一个人。

远望:

百度如何凝视技术未来?

  浮出水面的百度量子软硬一体化解决方案,标志着中国在量子计算产业化的重大突破,背后是一大波货真价实的技术输出。2021年发布的《中国人工智能高价值专利及创新驱动力分析报告》显示,百度在量子计算全球高价值专利及创新驱动力排名中位列国内第一、国际第三。

  我们在感叹百度布局科技前瞻性的同时,也很好奇到底是什么促使百度为量子这个超前领域投入如此多的关注研发资源?可以从内部和外部两个方面来看待这个问题。

  从内部基因来看,技术是百度安身立命的信仰,产业化身位则是其量子战略与布局因何不凡的原因。超前研究、全面自主、产研融合、规模化应用,是百度从互联网时代到AI时代一路验证的技术路径。以AI为例,百度从2010年左右开始布局和构建技术优势,到推动AI低门槛、产业化,走向千行万业的经济生产核心,百度已经成为中国AI产业的一面旗帜。在更为超前的量子计算也同样,2018年百度就组建起一个完备、专业、对量子产业化充满热情的团队,踏进了量子世界的疆域。

  从外部环境来说,百度所处的科技行业正在不断逼近技术“天花板”,经典计算、云计算、AI等已经达到了理论创新的天花板,开始进入产业规模化落地阶段。对于科技企业来说,技术没有突破就不可能前进,普遍承压。Facebook改名Meta发力元宇宙、谷歌微软英特尔都在发力量子计算,希望孕育下一个产业时代。在这方面,百度探索出行之有效的发挥量子实用价值的产业化路径,是一个水到渠成的过程,也驱动我国量子产业走向现实应用、跻身国际第一梯队。随着量子计算为更多企业所采用,合理推断,百度在量子计算产业化上的工作,可能会帮助中国数字经济领跑世界,也为自身打开新的增长空间。

  中科院院士郭光灿曾把量子计算比作一个山洞,鼓励中国的科研人员有勇气冲进去,哪怕洞里的一切都是未知的。百度量子从应用到底层技术的层层突围,不断穿越一个又一个未知的山岭,也为中国量子计算产业化趟出了一条路。

  我们现在还无法预料,量子计算具体会改变哪些事,但可以肯定的是,不容错过的量子时代,中国产学界正在积极做好准备。

(文章来源:脑极体 作者:藏狐)

标签:量子计算 我要反馈 
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