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量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

本文作者:木子 2020-10-29 10:57
导语:发展量子科技成大趋势 百度段润尧:抓住量子机遇要“四步走”

量子科技已经成为国家重点发展的“先手棋”,基础科普、人才培养与产业布局的工作,也在紧锣密鼓进行。10月27日,百度无限“量”,大咖聊量子科普课堂线上开讲,百度研究院量子计算研究所所长段润尧,中国计算机学会高级会员段永朝和天体物理博士马志博共同亮相,在演讲与圆桌Panel中围绕量子科技的技术前景、未来发展,及其对国家发展的战略意义进行了研讨与科普。活动中,段润尧发表演讲《量子计算的巨星之道》,从量子的整体发展历程,讲到百度量子的发展现状、最新技术和应用成果,并表示当下是播种“量子树”的最好时机。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

段润尧在演讲中表示,近年来,量子科技在软件、硬件和算法上取得巨大突破,整体认识水平的提升推动了量子研究领域的进步,同时,量子计算已经成为面对一些科技瓶颈时的新选择。百度2018年就以“百度量子、量子百度”为使命成立量子计算研究所,着力开展量子计算软件和信息技术应用业务的研究。通过广泛开展量子技术储备、顶尖人才培养以及量子生态构建,百度致力于建成世界一流的量子人工智能研究所,做好迎接量子计算时代的准备,最终实现“人人皆可量子”的美好愿景,让每一个人都切实享受到量子时代的技术红利。

此外,百度也希望通过积极创新孵化出全新的量子业务,从而为百度乃至于国家的经济发展提供新支撑。对于企业如何抓住量子机遇,段润尧也给出了建议:“第一发力科学教学,未来量子计算机会成为我们最重要的工具;第二是培养顶尖人才;第三量子计算的爆发会为AI和云计算注入新活力;第四是产业升级,谋划越早越好。”

以下为演讲记录:

我今天报告的标题是《量子计算的巨星之道》。很多年前,大家真正听过量子计算的人可能很少,但是这两年量子计算突然冒出来,将来会有更大的发展。这个过程非常艰难,但是大家已经开始关注到它,所以很有必要把这个背景先介绍一下。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

实际上,讲到量子计算,一定要提量子力学,没有量子力学也就没有量子计算。量子力学的历史已经有120年。上个世纪初,普朗克已经想到了量子力学的概念,发现这是一种和经典物理学完全不一样的现象,需要把原来认为连续的能量看成离散的、一份一份的,才能解决黑体辐射的问题。在这之后,天才辈出,爱因斯坦发现光子也是一种量子现象,提出“光量子”的概念。之后玻尔发现原子轨道离散化,然后还有德布罗意、海森堡、薛定谔以及狄拉克等非常伟大的物理学家一道,最终建立起整个量子力学,发现了微观世界的规律。这中间的过程非常复杂和曲折,但有意思的是,如果学数学和计算机的话,有两个必须知道的名字——希尔伯特和冯·诺伊曼,他们两人 在30年代,把量子力学用四条公理解释出来。通常在科普报告里讲量子力学,我只会讲量子现象的神奇,但是今天要把全部的量子力学展示出来,因为经过希尔伯特和冯·诺伊曼的努力,只要四条严格的数学公理就能精确刻画出量子系统应该遵循的规律。

第一条,想在数学上刻画出一个系统的状态,是用希尔伯特空间,也就是带有内积的复线性空间,其状态由空间里面的一个单位长向量完整刻画,这是非常精确的描述。系统随着时间的变化而变化,它的规律是什么呢?这就是著名的薛定谔方程,或者用酉矩阵来表示,这是第二条。第三条,如果观察系统的变化程度,从里面获取信息,就有所谓的量子测量。量子测量可通过简单的共轭矩阵来刻画。第四条,多量子系统可组成多体量子系统,就可以用张量积描述其系统状态。

刚才我开玩笑说量子力学只要花两个小时就可以精确解读,所以如果要想真正了解量子计算,第一步要先花两个小时好好解读它。有人问学它的用处,它确实不能马上帮我们解决很大的问题,但是可以严肃的说,学了这个,至少可以防止被忽悠。如果有人跟你讲量子但不知道四条公理,你就能判断肯定有问题。

接下来就是大家比较熟悉的,只要用到大学一、二年级线性代数描述的东西,就会衍生出非常奇特的现象。第一个是量子叠加,一个状态既处于0又处于1的特殊状态,本质上是因为是它是线性空间向量,有可以处于两个基状态的叠加的可能。最有名的就是薛定谔的猫,可能处于死或者活的叠加状态,这是量子力学第一条公理最自然的推论。第二条是相干性。在经典计算里面,你输入0最后结果是0,你输入1最后结果是1。但是量子里面还会有处于叠加的输入,最终可能会有两条路径同时进行计算,但最后它们可以完成消除成为一种操作,它们互相会发生干涉,就是量子相干性,这种相干性导致量子很多时候和经典的相干性完全不一样,这就是我们量子计算里面很多能力的来源。第三条是量子纠缠,也是大家非常熟悉的概念。两个系统最终会处于一个非常特殊的状态,你必须要把它看做一个整体,如果你对其中一个有任何操作,哪怕是相隔千山万水,你也可以预测到另外一个的关系和变化,当然这个变化有条件,所以它并不违背所谓的信息传递不能超过光速。

这三条都是上述公理自然的推论,但保证了后续基于量子力学的信息处理模式有超强的能力。常有人拿第一条举例说并行计算,实际上是三条同时作用。有了这个,可以快速过渡到今天我们关心的状态。物理学家数学家花了二十多年,终于把量子微观世界的规律总结成非常简洁明了的四条,对世界产生巨大影响;核反应、激光、NMR核磁共振,还有手机上的晶体管都是基于量子力学的基本原理。第一次量子革命就是指量子力学的建立及其直接应用。今天讲量子科技的概念,是指量子科技要在这个基础上进一步深化,不只是整体对材料进行应用,而是希望能够操控到具体的量子系统,能定制量子态,把原来抽象的量子态和量子系统当成一种资源使用,而不仅仅是研究其表象。之所以称为新量子革命,或者第二次量子革命,因为有可能还要进一步革命。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

这个事情的影响非常深远,因为通信模型如果以量子力学作为基础,可以衍生出量子通信。1936年图灵提出来的计算模型和量子力学结合起来就是量子计算。依此类推有很多方向,因为量子力学是非常基础的物理理论,很多原有方向加上量子力学后会产生新应用。

新量子革命虽然大家听的很多,但能不能直观表达它的意思呢?其实我们希望把微观的量子现象最终以宏观技术的形式展现出来。原本微观世界摸不着看不见,但是通过量子计算机可以对它进行编程和操控。我个人认为量子计算在整个新量子革命中处于一个至关重要的位置,将来的计算应该以这个作为基础。也有人问量子计算之后会不会有别的计算?目前来看这可能是我们能达到的极限。

为什么要做这件事?最重要的一个原因是真实的世界都是量子系统,但是如果真正模拟系统,会发现它的参数是指数之多,很难有效模拟。所以1982年物理学家费曼提出来,模拟量子物理系统必须用具有量子效应的计算机。这是极大的驱动力,量子模拟正是量子计算以及整个量子信息科学应用的核心。

另外一个原因,关乎现有的计算。随着芯片线路尺寸逐渐接近量子尺度,达到7纳米以后,会不可避免的出现量子效应,像量子隧穿,从而没有办法按照经典电磁学的方法真正进行控制,这种情况就需要考虑新模式。此外,当前芯片发热研究发现一个大问题,再过二十年以后,计算机消耗的电量可能会超过人类的总发电量,损耗很大,急需要新模型来解决。可以证明,量子计算其实不消耗能量,消耗能量是因为现在的实现过程有一些问题。

大背景之下,量子科技兴起非常自然,我国在本世纪初就定了国家规划,把量子计算作为重点来抓。最近,习总书记讲话真正使我们认识到量子科技发展的重要性和紧迫性,所以现在要做好战略谋划和系统布局。

国际上,主要发达国家,比如美国、澳大利亚、欧洲、日本都已经展开布局,连新加坡也有很多量子工程的布局。这种情况下,我国肯定也需要考虑。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

量子技术的趋势是一个非常自然的结果。摩尔定律结束以后,必然会考虑量子效应,芯片怎么进行信息处理,量子信息天然的优势使得它可以做隐私保护。经典信息是可以被克隆的,但是量子信息是一个未知的状态,没有办法被精确复制,因此量子信息本身是具有安全性的。目前,已有很多人在进行相关研究。

像百度这样的AI公司,自然也希望随着AI技术的进一步发展,找到AI技术的突破口,把AI应用到量子计算里面。反过来,我们也希望量子计算能为AI的发展提供新的动力,最终真正完全实现量子计算,使我们的计算和信息处理都可以通过量子计算和互联网实现,这是我们的期望。

现在硬件的发展已经达到所谓的NISQ时代。目前,国际公司大概可以做出50个量子比特的芯片,这个芯片可以做一些现有的计算机没办法做的事情。但是芯片本身噪音很多,而且不能纠错,所以不能进行完全的计算,只能做一些特定的任务。这个过程会持续很长时间,想要完全实现量子计算需要十年左右。在这个过程中到底能做什么是现在研究的热点。国外一些大公司早已展开布局量子计算,尤其是IBM。IBM对技术的投入非常之早,早在上个世纪80年代,他们已经有像Charles H.Bennett 这样的大科学家从事可逆计算的研究。这里特别提到2016年这个时间节点,是因为2016年他们推出了云上小型量子计算机供大家使用。

国内几家代表性的公司在过去三年内也已经做了布局。很多初创公司非常优秀,也有很多科学家组建公司去做量子这个事情。大家的热情高涨而且非常有信心,实现的方案各不相同,提供实现的情境也各种各样。当然还有很多科研院校也在做。国内现在几乎找不到一个完全没有量子计算和量子科技相关专业的学校,总有那么几个人做这方面的事情。我们很难预测一个准确的时间点,但这个趋势是很明显的。

百度本身是一个有技术信仰的公司,对量子计算等新的方向关注也很早。2018年3月8日成立了量子计算研究所,用八个字概括它做的事情,就是“百度量子,量子百度”。“百度量子”的意思是要建造一所世界一流的量子计算研究所,帮助我们做好迎接量子计算时代的准备。“量子百度”是指在这个过程中,研究所要和百度的核心业务、核心技术结合,真正的把整个核心技术升级成以量子计算为基础的技术。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

我们未来主要是想做三个方面的事情:最核心的是量子人工智能的应用,因为最终技术要为人所用。另外,量子计算机想要发挥作用需要好的算法,所以我们需要研发更多好的算法,比如搜索、模拟、安全计算等方向。在最底下还需要一个架构进行支撑,而且我们需要有自己的编程平台,需要有一些分布式互联的设施,也需要和硬件互联的接口。很多人问有没有硬件?实际上,我们采取了更好的一条路径。量子硬件的方案仅我知道的就有七、八种,到底最后谁胜出目前还不清楚。所以仍然有很多事情可以做,我们希望通过更灵活的接口来解决硬件互联的问题。最终我们希望打造“人人皆可量子”。什么意思呢?大家都知道,平等获取信息是非常重要的,互联网某种程度上讲解决了这个问题。量子信息作为一种尖端的科技,希望未来人们也能够有平等获得的权利,这是我们希望达到的目的和愿景。

很高兴的告诉大家,我们的战略规划已经有了一些初步的实现,我们做了百度量子平台。其中包含量易伏,一个云原生的量子编程平台,是国内第一家,性能非常强大。程序员可以通过这个平台和硬件实现互联,从而有使用量子的能力。量脉则是实现软件和硬件相互转化的工具,也是一个云计算平台。还有一个就是量桨。今年5月20日,CTO王海峰老师发布百度基于飞桨做的第一个工具集Paddle Quantum,这意味着之后深度学习开发者可以通过百度飞桨最终调用到量子的能力,也可以反过来调用飞桨的能力做量子科技的研究。图中最上面的是应用,可以是为科研工作人员或者教育工作者服务,也可以在工业界应用,也可以应用于人工智能。通过中间开发的工具集,最终可以和硬件处理器或者模拟器进行互联,大家去百度量子平台看看,是可以免费使用的。这是我们非常核心的一个产品,未来会持续更新。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

再提一下量子计算的应用。量子计算作为一种非常底层的核心技术,在现在计算机应用的很多场景里都可以找到。特别值得提的是安全场景,量子计算机擅长破解RSA密码系统,将来如何保护隐私,都是需要用量子方法去解决。量子安全计算、信息安全,以及量子和后量子密码都会作为非常重要的研究方向。

另外一个就是材料模拟。如果我们想找到一个好材料,是需要做大量的模拟,需要根据量子系统的能量去模拟,非常费时费力,而且没有更好的办法。但现在所有量子系统都可以利用量子计算机进行快速的模拟,当然要是自然的、不能是假设的系统,这是一个非常重要的应用。

还有就是生物制药。现在人类面临最大的挑战就是粮食问题。如何提高粮食的产量,哪怕只提高一点点都非常有意义。如果我们用量子计算方法,通过化学模拟找到一些肥料或者类似的东西,就会很有意义,更不要说疾病。Robin说人工智能让人类获得永生,通过数字化来保留人的很多信息。但是如果把量子加上去,通过研发新药,人类就可能会更加长寿健康。

最后就是人工智能,这也是短期内大家比较期望的东西。

特别提一下,所有美好的愿景最后都是需要靠人去推动。现在面临一个问题,从幼儿园、小学,到大学里面,几乎没有专门讲量子计算或者量子科技的课,量子力学也不是每个专业都要学习的。但是量子应该像牛顿力学一样,需要大家慢慢的尝试。有的人说小孩子不理解,不理解没关系,先记住再慢慢理解。他先花两天记住,花二三十年理解,到了二三十岁的时候再开始做研究也挺好的。教育研究这块一定要抓,美国已经非常超前,出台了最新政策,保证小学生、中学生要开始接受这方面的教育。量子科技人才队伍的培养势在必行,在这次习总书记的讲话里这是非常重要的一条。量子科技方面的人才培养是非常重要,需要整个教育机制去做。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

再跟大家分享一件开心的事情。实际上,百度在人才培养方面已经开始在行动。关注IT的朋友会知道百度有一个竞赛叫百度之星,今年是第16年,5月份的时候我们决定把题目改成量子计算。10月18号比赛题目就是以量子计算为核心问题,用量子电路合成来命题。最开始我们都捏着一把汗,因为这些同学好多都是初中生、高中生,还有一些大学生博士生,大多是IT的,从来没有接触过量子的概念,也没有这方面的知识。出乎意料的是他们的比赛成绩都非常好。量子计算其实也要从娃娃抓起,这次比赛最小的学生陈奕帆才小学六年级,后来CTO王海峰老师给他颁了“未来之星”奖。我在现场看到他非常敏捷的进行编程的时候,非常感慨,后浪太可怕了。

量子科技这样新的革命来临的时候,我们应该怎么做?我的建议是,一定要产学研结合。作为产业界,中国的公司包括百度在内已经在布局,而且已投入好几年。学校也要开始做这方面的准备。百度之星比赛就是我们的试金石,接下来我们也会继续行动,希望能够真正推动它在IT界的普及。当然很重要的还有科研机构也需要产业化。三者之间应该是互助共赢的关系。

百度希望把技术向用户、合作伙伴、开发者朋友们分享,希望我们的技术能够被他们所用。而且百度也有很多硬件选择,所以希望能够和各个硬件提供商进行良好的合作。同时,百度与学校的合作也在进行中,包括清华大学、悉尼科技大学、巴塞罗那自治大学,还有新加坡国立大学。同时,我们也资助量子领域的顶级会议,这个领域相对比较新,疫情期间就资助了一家会议召开。这里我想说,我们最后还会把这些贡献成BQP(Baidu Quantum Program),一个百度的量子纲领,作为一个文件供大家使用、参考。我们也有非常高端的专家来帮我们提出建议,比如量子密码的发明人之一Artur Ekert,也是牛津大学教授,量子领域的元老。这是我们希望打造的可持续开发的量子计算生态。

最后做一下展望。现在我们处于天时地利人和的状态。这种状态下,量子科技到底能够在哪些方面带给我们改变,哪些方面又需要特别关注?以下是我个人的一点浅见。

量子科技发展进入突破期 百度段润尧:当下是播种“量子树”最好时机

第一条是科学、教学方面。科学方面,我们现在也意识到,做科学研究、探索世界是人类最重要的事情,因为认知水平决定了时代文明的程度。这种情况下,量子计算机就像经典计算机一样,将来会成为我们最重要的一个工具,成为只要踏足世界就根本离不开的基本的东西。特别是量子力学会和别的学科发生关系,比如物理两大基础,一个是量子力学,一个是广义相对论,这两个东西无法合并,但是科学家发现,如果用量子纠缠、量子信息概念去研究,会出现很有意思的东西,比如霍金现象就会得到解释。第二个就是顶尖的人才。目前还非常稀缺,非常亟需解决。经常有人问我量子力学是不是已经有泡沫了?有没有泡沫我不知道,但是人还没有。从小学、中学、高中到大学,每个层次的人才都需要布局,人才是不能速成的,需要长期培训。第三点是应用。年初,当时我和CTO王海峰老师进行讨论,最后我们逐字逐句的发布了一个百度研究院对科技趋势的十大预测,其中特别提到量子计算将会爆发,会为AI和云计算注入新活力。现在看来当时预测有可能是对的。第四条是产业的升级。现在“互联网+”已经变成一个共识,每个行业都会跟互联网发生关系。现在已经有智能经济的概念,那么智能革命之后,量子如何进一步升级,这与每个行业都息息相关。越早做谋划,后面就会越得心应手。这些合起来就是一个STAR,希望我们最终能够看到量子科技之星冉冉升起。

中国有句古话“前人栽树,后人乘凉”。树除了让人心情愉悦,最大优点是特别能活。目前最长命的树是欧洲瑞典的一棵活了9500多年的树,它的树干每隔600多年换一次,但是它的根已经活了9000多年。所以,现在正是我们播种“量子树”最好的时机。谢谢各位!

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