中国量子计算“相变”前夜，百度抢跑

作者 张弘一 编辑 展 洋 出品 商业秀（ID：shangyexiu66）

20世纪20年代，两个物理学家发现，他们在实验室所看到的世界十分诡异：

一个物体竟然可以同时存在于两个地点，而且无论相隔多远，彼此之间都有着一种莫名其妙的关联。而当你身处原子、电子和光子的国度时，对物体的观测，似乎会改变它们的行为。

物理学家差点惊掉了下巴！莫不是，在宏观现实世界，一个你可以同时出现在卧室和客厅？并且卧室里的你一旦有所改变，客厅的你也会跟着一起改变？

“这，不可能是真的”，他们半信半疑。

彼时，量子世界被其发现者称之为“万般无奈之举”。因为量子世界的一切无法确定，很多现象既诡异又难以解释，甚至和我们所处的现实宏观世界显得格格不入。

比如，我们在现实世界可以毫不费力就能确定一个物体的具体位置和速度，并可以根据现有条件去推测，它未来可能会以何种状态存在。

但在量子世界里，我们永远无法同时描述出微观粒子的位置和速度（动量），粒子的位置越确定，速度就越不确定，位置和速度这两个变量之间存在着一种不确定性关系。

如今，昔日的“万般无奈”已释然。我们知道，在那个由原子和更小的基本粒子组成的微观世界里，关于“现实世界”的传统观念被颠覆，取而代之的是另一套规则——量子力学。

而这一规则，从来没有在任何一次实验的检验中失败过。

量子力学研究先驱们发现了粒子的波动性和不确定性，由两个同一事件出现的两个粒子具有“鬼魅般的纠缠”作用。

量子世界似乎不再神秘，但它那些诡异现象背后的根源，依然是个谜。

或许人类至今依然没能真正搞懂量子力学吧！继续摊手无奈

但可以确定的是，从量子世界被发现到量子力学的深入研究，再到近年来量子计算不断升温，可以说量子力学正深入我们的生活。

比如我们常用的电脑、手机等高科技产品，其实都和量子力学有关。因为这些科技产品和芯片集成电路有关，而芯片集成电路和半导体又紧密相关。而半导体应用，恰恰是基于量子力学的理论。

但人类的探索，绝不甘心止步于此——既然我们可以利用量子纠缠等特性，实现了粒子的远距离传输，那么人类的远距离传送也就是“人人皆可量子”，还有多远？

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从量子力学到量子计算

伴随着量子力学的研究，科学先驱们继续思考：

如果我们处理的是量子态的信息，而不是传统计算机芯片中的电流，那么我们将拥有前所未有的强大的经济与安全的数字运算前景——至少理论上是这样。

而最大的挑战在于，如何让理论变成现实。这就是量子力学目前最大也是最酷的一个应用——量子计算机。

和普通计算机相比，量子计算机有哪些区别和超强能力？

目前，量子计算机包括硬件、软件和系统应用三个层次。底层为硬件，包括量子芯片、低温装置、电子学仪表等；中间层则是量子操作系统，通过它来实现对所有硬件的整合和操纵，使它能够运转，并执行信息处理任务；最顶层是量子应用算法或软件，针对某应用场景，通过运行它实现特定的信息处理和计算工作。

据北京量子信息科学研究院院长向涛介绍，“量子信息技术主要包括量子计算、量子通讯与量子精密测量，核心是量子计算。没有量子计算，仅仅是量子通讯和量子精密测量不足以动摇现有信息社会的信息技术根基。所谓量子计算，就是按照既定的算法和程序对量子态进行操控的过程。”

向涛进一步称，“但凡需要数据处理和计算的地方，都是量子计算可以发挥作用的地方。”

相较于普通计算机，量子计算机的优势在于更灵活、处理计算能力可实现成倍增长。根据向涛提供的数据，“一台100个容错量子比特量子计算机的算力，可超越目前世界上所有计算机的算力之和。”

而2019年，谷歌在一台53比特的量子计算机上，仅用200秒就完成了在超级计算机上需要一万年的计算。

如量子计算的发展引领着新一轮科技发展的浪潮，驱动着多种行业的变革，是后摩尔时代必由之路。作为一种全新的计算范式，量子计算目前在基础科学探索、数字经济、人工智能、信息安全等诸多领域都具备颠覆性手段。

而随着量子设备性能的快速提升，量子优势的逐步体现以及量子应用的潜在市场的快速增长，软硬一体的量子解决方案有助于更多行业人员使用到量子算力，利用量子计算加速产业的量子化升级。

如今世界各国和各大高科技公司都在围绕量子科技进行紧密布局。比如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。国内大厂如百度、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。

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巨头抢跑中国量子计算“相变”前夜

不过，人类也需要理性认知的是，作为后摩尔时代提升计算能力的一种全新解决方案，目前国内量子计算的发展还处于初期。

中国科学院院士、科学技术大学常务副校长潘建伟指出——

“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，这一目标美国、中国和加拿大已先后达到；第二阶段的目标是，实现专用的量子模拟机，来指导材料设计、药物开发等，估计还需要5到10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。但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。”

或许我们正在处于一个特殊节点——量子计算产业化大爆发的前夜。

中国科学院计算技术研究所研究员、孙晓明博士将这个节点描述为——就像研究物理有“相变”（即物质从一种状态转变到另一种状态的过程）现在（量子计算）可能马上就要“相变”了，就等着百度、腾讯、阿里巴巴这样的公司，再施加一点外力，使得这个“相变”能够发生。

1943年，IBM创始人托马斯·约翰·沃森曾提出一个观点——“我认为，全世界最多只需要5台计算机。”

托马斯·约翰·沃森不曾想到，后来的计算机会有如此大的变化。多年以后，这个观点在量子计算领域依然被广为谈论，多用来借以预示着计算机领域将迎来“相变”时刻。

处于发生“相变”的前夜，业内纷纷呼吁“需要新的力量以及产业同仁进来”。

2022年8月25日，百度首次对外发布了超导量子计算机——“乾始”和全球首个全平台量子软硬一体解决方案——“量羲”，以及开放了百度量子实验室。

百度首席技术官王海峰对外表示，百度已经打通了从硬件、平台到应用的全链条，实现了量子芯片到量子应用的转化，让量子从实验室走向产业化。

这是集量子硬件、量子软件、量子应用于一体，提供移动端、PC端、云端等在内的全平台使用方式，也是国内量子计算产业在应用层面突破的重要一步。

“乾始”是集量子硬件、量子软件、量子应用于一体的产业级超导量子计算机。

百度超导量子计算机“乾始”

据了解，“乾始”量子硬件平台现已搭载10量子比特高保真度超导量子芯片，为用户提供稳定优质的量子计算服务。“乾始”量子软件平台支持通过云服务获得量子算力，提供产业级量子计算服务。

“量羲”则是百度推出的全球首个全平台量子软硬一体解决方案，提供私有化部署、云服务、硬件接入等一系列服务，最大程度上简化了量子硬件部署到量子服务的全流程。“量羲”具备适配超导、离子阱等多类型主流量子芯片，可实现量子芯片“即插即用”。

值得一提的是，目前“量羲”已经完成中科院物理所超导量子芯片和中科院精密测量院离子阱量子芯片连接验证。

如果此刻你想在云端体验一把量子计算带来的魅力，现在操作起来也相当“顺滑”——只需下载APP“量易伏”，即可实现。这也是全球首个云原生量子计算平台。

清华大学基础科学讲习教授、姚期智讲座教授、段路明博士认为，建立量子计算平台，让量子计算变得更加可及，而只有更多的人去使用它，才能实现真正的应用和发展。

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“人人皆可量子”，还有哪些难题待解？

“人人皆可量子，是我们的愿景。”百度首席技术官王海峰在量子开发者大会上坦承。

但与此同时不得不面对的是，目前距离实现“人人皆可量子”，我们还面临着很多挑战。比如微观层面，硬件如何提供持续稳定的量子硬件平台；如何保证硬件平台和软件之间进行很好地交互；宏观层面，量子计算产业化如何建立生态合作、人才培育体系等等。

围绕芯片设计、硬件平台、软硬接口、操作系统、云平台、应用平台、应用算法和量子服务，百度量子计算研究所所长、段润尧博士提出了九大痛点和挑战，同时他指出难题远远不止这些，这是一个巨大的科学和工程的系统性挑战。

中国科学院物理研究所研究员、固态量子信息与计算实验室主任范桁指出，目前量子计算产业化主要面临以下几个问题：第一，硬件能不能做到非常准确；第二，软件用户还需要培养；第三，除了量子计算领域里面的软件、硬件之外，还缺应用程序。

“可能不需要理解量子计算底层的东西，只需理解一些高级语言，基于高级语言去面向应用。如果是这样的话，基本上可以做到量子计算无感知，也就是‘人人皆可量子’。”范桁补充道，“‘人人皆可量子’的背后，实际上就是量子的器件、分布式计算、云平台等提供了一个技术途径。”

具体到硬件和软件层面的挑战而言，业内也在不断探索。

清华大学计算机系教授、季铮锋博士认为，量子一体化分为硬件、软件算法和应用三个方面，而软件的算法和应用在整个一体化里占了“半边天”。

他表示，量子计算机最终开发出来，主要就是能跑出一些解决实际问题的应用。“物理的东西虽然难，但实现方式非常有限，超导、离子阱，发挥的空间不是很多，而软件的空间想象非常大，当系统成熟后，可以用到现在完全没有想到的应用场景。”

段润尧也认同“相对于硬件，软件可能更会大有作为。”

除了来自微观层面的挑战，宏观层面的生态开放和合作问题也成为业内重点聚焦的课题。

段路明认为，量子计算产业发展目前还处于初始阶段，一定要建立生态合作，要尽快推动规模化。“硬件规模没有达到指标的话，所有的事都是“纸上谈兵”，不可能会有真正的应用。而要把指标做上去，就需要相互配合，特别是在几百、几千的量子规模，需要鼓励更多的应用型企业去应用和优化这个系统。”

不过他也同时指出，系统的商业化在某种程度上是一个高风险、高回报的事。“谁能找到这个点，才能真正引爆。现在需要鼓励更多企业去尝试，才能找到真正的发展方向。”

清华大学基础科学讲习教授、姚期智讲座教授、段路明博士则认为，具体到合作上，量子计算是一个很大的科学工程，如果想要实现产业化突破，就需要不同背景的研究团队、不同背景、不同应用方向的企业来共同推动，否则难以完成。

“要想把量子计算的规模不断扩大，就要通过量子计算平台，让量子计算更加可及。要鼓励更多的业内用户使用量子计算机，只有这样，量子计算产业才能真正发展起来。”段路明称。

清华大学计算机系教授季铮锋博士也表示，要以开放的心态跟上下游的企业、高校开展合作，这是未来量子的产业化上要重点关注的事。

季铮锋认为，整个量子计算的产业化进程势不可挡。“有十几年时间，我们是一个默默无闻的团体，在国际上有非常好的研究团体，每年的变化并不是很大。但是到2016年前后，我们感受到了工业界的风暴，个人（命运）也因此而改变。”

此外，如果行业能够真正起来的话，更需要有一批专业的的量子科技工作者尤其是量子开发者，这也是目前量子计算产业化面临的挑战之一。

尽管量子产业化来势汹涌，但据一些业内人士称，目前量子计算还不能完全取代传统经典计算。在实用性、成本和软件上，量子计算也依然存在一些瓶颈，需要进一步提升量子比特数和量子纠错能力。也只有这样，量子计算才有大规模商用的可能。

在传统计算与现代技术之间，量子世界依然保持着最初人类发现它时一些非完全确定性的神秘色彩。

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结语

人类进入新世纪，5G、数字经济、量子计算、清洁能源、生物技术等新一轮科技浪潮，加快了全球经济的新旧动能转换，也让全球利益更加交融。

有观点认为，量子计算机的发展速度可能会大大超过新能源的发展速度。谷歌曾预计到2030年左右，其量子计算机将实现规模化商用。霍尼韦尔提出新的摩尔定律承诺：5年内每年将其量子计算机商业产品的量子量提高一个数量级，5年10万倍算力的超指数级提升。

眼下无论是新能源还是量子计算，全球各个国家和各家科技巨头的重视和参与，让我们对这两个赛道的未来想象空间充满期待。