段润尧：量子计算与数智化

来源：水木工业数智化
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本文介绍了段润尧老师带来的量子计算与数智化主题分享。

本文整理自清华校友工业数智化高峰论坛

量子不是一个新概念，从1900年提出能量不是连续的而是离散量子的开始，量子力学就已经诞生。发展至今，已成为整个现代科学的支柱。

量子计算是后摩尔时代的必由之路

为什么量子对我们影响那么大？一方面，量子力学的直接使用就已经对社会产生巨大影响，如大家熟知的原子弹、核磁共振、晶体管、激光等技术，都是上世纪中叶基于量子力学原理发明的。另一方面，随着科学技术进步，目前已经能够在量子尺度，也就是分子原子级别去进行操控，第二次量子革命应运而生。其代表性技术有量子计算，将量子技术与计算机相结合，将计算芯片换成基于量子力学设计的芯片，实现超越现有算力，甚至出现指数级加速的算法；此外也包括量子通信、量子密码、量子精密测量等技术。

         

量子计算是由量子力学结合计算理论，形成的新的学科。需要强调的是，这两者的结合不是一个简单的加法关系，而是交叉融合。在这里运用量子力学的叠加、纠缠、相干等一些特性，使我们拥有更加强大的信息处理能力。

   

发展量子计算对于数智化建设有非常重要的意义。一方面，现今计算效力的提升遵循摩尔定律，芯片中元器件数目一直指数增长，推动着计算产业进步。然而芯片设计中面临一个尺寸极限，随着芯片制程接近2nm甚至更低，量子效应变得不可忽视，此时再用常规方法去设计芯片已不可行，必须要考虑如何处理量子效应。处理方法有两种，第一种，想办法抑制量子效应，去重新设计芯片，此方法相对比较保守；而第二种，则是基于量子效应去设计出新的量子芯片，发挥量子优势。此外，经典计算是非常耗电的过程，统计预测到2040年计算机耗能将超总发电量。但相对的量子计算可能做到可逆计算，将有可能大幅度节约用电量。

 

另一方面，从应用的角度看，包括人体和很多其他系统，其本质上是量子系统，遵循量子规律。诺贝尔物理学奖得主费曼提出，用通常的计算机模拟量子系统所需数据量过于庞大，效率非常低下，应该使用量子计算机。实际上，如果模拟量子系统，数据量能大到什么程度？有以下这个经典对应：

现在发展量子计算已经上升到国家战略高度。2020年10月份习近平总书记在中央政治局集体学习时就强调，要深刻认识推进量子科技发展重大意义，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。在“十四五”规划里量子信息也和新一代人工智能、集成电路成为优先发展的三架马车。还有《国家创新驱动发展战略纲要》也提到量子信息技术要作为引领产业发展的颠覆性技术去发展。在国际上主流发达国家也几乎都做了量子计算方面的战略规划路线图。

 

根据一些咨询机构的预测，整个量子计算市场正呈指数增长趋势。预计后面十几年将按照年复合增长率48%的规模进行增长，从目前约为40亿美元规模，发展到2035年突破万亿美金，足以看出市场前景。

   

作为后摩尔时代的必由之路，在技术层面，量子计算预计将逐步带来全新的安全隐私保护机制，促进人工智能技术发展，并最终实现超越经典计算力的新的系统性解决方案。在硬件层面，目前最大的量子计算机正处在一百个量子比特的规模附近，此时即使是当前最强超级计算机也没有办法去模拟这些系统。虽然预期在未来几年量子硬件设备仍将处于中等规模含噪声的阶段，但业界还是乐观估计可控量子比特数将迎来指数级的增长。

   

正是因为量子计算蕴藏着巨大的机会，大家熟悉的谷歌、IBM、微软，国内的BAT和华为，以及一系列国内外优秀的初创公司都一直在布局量子计算。百度是于2018年开始正式进入这个领域。

百度量子的技术布局

2018年3月8日百度量子计算研究所成立，以“百度量子，量子百度”为使命。一方面，百度量子希望能够做好技术储备，迎接量子计算时代到来；另一方面，将用量子技术赋能百度业务。此外，百度量子希望实现“人人皆可量子”的愿景，发挥量子技术实现平等的作用，让每一个人都能平等使用。

在2021年，百度量子提出了“QIAN量子软硬一体化方案”战略。Q是量子，专注量子方面的技术研究，实现重要基础突破，包括算法、AI应用以及体系架构等；I是要建设基础设施，打造一个有软件、有硬件的百度量子平台，大家通过这个平台就能真正使用量子能力；A是指聚焦在一些关键应用上，如人工智能、材料模拟、生物计算、金融科技都是潜在的应用方向；N是希望能够发展量子互联网技术，因为整个量子科技的终局应该是产业化的量子网络。百度希望这些技术和生态网络，能够服务所有相关的企业和个人。

   

目前百度量子做了哪些工作呢？以人工智能、化工医药、教育科研、交通制造以及金融科技作为应用目标，百度量子平台打造了从应用到硬件的一体化架构，包括算法设计平台（量桨），量子计算平台（量易伏），量子软硬件接口（量脉），以及底层量子硬件资源。此外，对于晦涩艰深的量子计算，百度也打造了量子学习知识库（量易简），帮助学习量子计算。

   

接下来，我跟大家分享一下其中的核心内容，对有兴趣的听众，可以进一步看我们公开的相关资料。

量桨

量桨是把量子计算和人工智能结合起来，开发的量子机器学习开源工具集，提供在包括机器学习、量子化学、量子信息处理，以及基于测量的量子计算模块等领域的多个工具包。

这个工具集一方面，可以用现有人工智能（基于飞桨平台）去辅助量子计算前沿研究。比如量桨借助深度学习的技术进行方案开发，在量子纠缠检测、量子纠缠蒸馏等多个关键应用场景得到突破原有最优的方案，获得比现有协议更好的结果。

另一方面，则是让量子计算赋能人工智能方面的应用。近期百度量子基于量桨自研的量子机器学习算法，以手写数字识别为例，展现了量子高效处理机器学习问题的潜力，减少参数量的同时更准确地识别数据中的复杂模式。

量易伏

很多程序员都会写程序，将来量子程序怎么写呢？百度提供了量易伏平台，这是国内首个云原生量子计算平台，也就是量子计算的操作系统。当把量易伏和量子硬件结合起来，就可以去做所有量子计算可以做的事情，实现迈入量子时代。你可以在上面用量子计算语言去写程序，这个程序经过量子编译以后，就可以在量子硬件上运行。量易伏推出以后，已经和中科院物理所合作，与他们的硬件相结合，实现在真正的量子计算机上运行量子程序。

 

举个例子，得到一个分子的结构或者一些基本参数，例如基态能量（一个分子处于能量最低状态时的能量大小，在量子化学中非常重要）等问题，在量易伏上可以通过几行简单的代码，实现在真实的量子计算机上去完成计算，不用去实验室折腾很久就可以完成这样复杂的实验。

量易伏对不同层级的用户提供了多种不同的工具。对于初学者，量易伏支持拖拽式编程，可视化地搭建量子电路进行计算。对于量子计算爱好者，则可以在线连网编程，无需复杂配置并可重用历史代码。此外还有开源工具包支持复杂的程序开发，以及为企业提供了云IDE服务。

量脉

大家知道，量子设备不能直接接受代码指令，它只能理解电磁波、脉冲信号，所以让量子计算机能够运行，需要将量易伏电路转化为量子设备听得懂的信号，这就是量脉平台的作用，软件与硬件的接口。量脉平台作为国内首个支持多种量子硬件的量子控制云平台，实现将量子电路编译为控制脉冲，输入到量子芯片以及最后输出计算结果的测控过程，完成整个量子计算。

量子芯片自动化设计工具（QEDA）

量子芯片自动化设计工具，顾名思义，量子版本的芯片设计也需要工具。量子芯片区别于经典芯片，需要绘制量子比特及其耦合端口，绘制耦合器、Z控制端口，以及谐振腔。百度量子开发的量子芯片自动化设计程序，让这些绘制设计都可以由程序自动完成，完成布线并得到最终微纳加工 gds 文件 ，具有高度自动化与实用性的特点。

量易简

另外，百度量子还开发了量子计算知识学习平台，量易简。针对学习量子所需的高门槛，通过集教材、视频、课程和编程于一体的量子学习知识库，帮助更多人理解量子计算。

我们希望通过百度量子计算平台最终能够在人工智能、材料设计、生物计算、金融科技等方向实现应用。以新能源电池设计为例，可以对比下经典与量子的方法：经典计算面临精度有限、成本高、周期长等困境，而相对的，量子计算则可以通过量子模拟大幅优化这一过程。对此百度量子平台提供了从现实问题，到算法设计、程序编程、脉冲编译、真机运行的全流程一键式服务。

我们希望通过量子平台建立可持续的百度量子生态，能够和用户、客户建立关系，和量子硬件厂商、研究机构保持紧密合作，当然我们也在不断赞助会议论坛，与专家顾问方面持续保持沟通。时间关系，很多内容无法展开，有兴趣的校友可以关注我们更多的公开材料。

受篇幅所限，未能详尽展开的内容，点击原文观看视频回放

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