量子計(jì)算：突破摩爾定律，開啟算力新時(shí)代

過去一百年，人類有兩個(gè)偉大的文明突破，一個(gè)是計(jì)算機(jī)的發(fā)明，另一個(gè)是量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)。兩者均促進(jìn)人類世界發(fā)生跨越式的進(jìn)步。大約二三十年前，這兩個(gè)偉大的思想交叉碰撞，發(fā)展出量子信息科學(xué)。其中，量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想，一方面提供了可以突破當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)物理局限的可能性，另一方面也成為科學(xué)工程上前所未有的一大挑戰(zhàn)。

摩爾定律的結(jié)束也是個(gè)開始

計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代人類文明的標(biāo)志，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算資源的需求永無止境。歷史告訴我們，計(jì)算能力的提升使得社會(huì)運(yùn)行更有效率，也引發(fā)出更多意想不到的應(yīng)用，讓我們的生活多姿多彩。

目前，我們普遍使用的計(jì)算機(jī)的工作原理是基于“經(jīng)典力學(xué)”的框架去設(shè)計(jì)的，也就是說1就是1，0就是0；可謂見山是山，見水是水。過去數(shù)十年間，經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片之所以能越做越好，計(jì)算能力不斷提高，主要原因是優(yōu)秀的工程師們可以把芯片里面的元件不斷縮小。這樣，不僅單位大小內(nèi)可放置的元件增加，而且電流信號(hào)從一個(gè)元件到另外一個(gè)元件的距離減少，邏輯操作就可以被加速了，同時(shí)能耗也會(huì)減少，一舉多得。這個(gè)套路，成就了著名的“摩爾定律”，它描述過去幾十年時(shí)間，工業(yè)生產(chǎn)的芯片密度大概每十八個(gè)月翻一番的事實(shí)。

可是，摩爾定律提出之時(shí)，也預(yù)示了它失效的日子——因?yàn)槲锢碓豢赡軣o限縮小。我們都知道，所有的物質(zhì)都由原子組成，到了原子尺度，粒子的行為是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行而不再是經(jīng)典力學(xué)，甚至連如何定義1和0也變成一個(gè)大問題。

不過，摩爾定律的失效，并不代表人類不斷追求更強(qiáng)大計(jì)算能力的道路就此終結(jié)。借用丘吉爾的名言：“現(xiàn)在不是結(jié)束，甚至不是結(jié)束的開始。但是，也許，現(xiàn)在是開始的結(jié)束?！蹦柖梢I(lǐng)人類到達(dá)經(jīng)典世界和量子世界的邊界，跨過去之后，量子計(jì)算將會(huì)開辟一片新天地。

量子力學(xué)讓我們意識(shí)到，真實(shí)的世界，原來有非常多的物理規(guī)律是違反直覺的，顛覆了我們對(duì)整個(gè)世界的認(rèn)知。在量子世界，很多經(jīng)典物理學(xué)中不存在的物理狀態(tài)變得可能，比方說，粒子的狀態(tài)能“同時(shí)”代表1和0；真是見山不是山，見水不是水。量子計(jì)算的核心思想，就是要以量子力學(xué)作為框架，發(fā)展出更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)器，讓我們重新認(rèn)識(shí)計(jì)算的意義；達(dá)到見山只是山，見水只是水。

第二次量子革命

憑著量子力學(xué)的框架，人類對(duì)各種物質(zhì)的特性有更深刻的認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生了不少尖端科技發(fā)明。比如，通過認(rèn)識(shí)光的量子特性，研發(fā)出激光；通過認(rèn)識(shí)電子的量子特性，研發(fā)出芯片；通過認(rèn)識(shí)磁鐵的量子特性，研發(fā)出核磁共振成像技術(shù)，等等。這些通過研究物質(zhì)的量子特性所引發(fā)的技術(shù)進(jìn)步，可歸類為第一次量子革命。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們對(duì)各種微觀系統(tǒng)的調(diào)控能力大幅提升；我們不僅能操控一個(gè)個(gè)原子的行為，甚至可以測量出單個(gè)電子產(chǎn)生的電流。這些尖端科技允許我們對(duì)量子力學(xué)的基本特性進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，促進(jìn)第二次的量子革命。

第二次量子革命的特征是需要從量子力學(xué)的“本質(zhì)”去發(fā)展新科技。比如說，通過量子疊加原理去發(fā)展出量子計(jì)算機(jī)；通過量子糾纏發(fā)展出量子精密測量技術(shù)；通過量子不可克隆原理發(fā)展出量子加密系統(tǒng)，等等。我們期待著第二次量子革命給人類社會(huì)帶來多方面的科技突破。

量子計(jì)算的潛力

量子計(jì)算機(jī)的工作原理和經(jīng)典計(jì)算機(jī)最大的差異，就是存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的基本單元“比特”被替換成“量子比特”。這里，我們利用了量子疊加原理：一個(gè)量子比特能“同時(shí)”處于0和1兩個(gè)邏輯狀態(tài)的線性疊加態(tài)；兩個(gè)量子比特的狀態(tài)可以同時(shí)處于00、01、10、11四個(gè)邏輯狀態(tài)的疊加態(tài)；多個(gè)量子比特對(duì)應(yīng)的狀態(tài)可以達(dá)到指數(shù)增長。量子算法的核心，就是如何利用好這些量子疊加態(tài)，來加速計(jì)算問題的求解速度。

其中，最著名的量子算法是Shor在1994年發(fā)表的大數(shù)分解量子算法，其直接威脅到經(jīng)典計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)依賴的加密系統(tǒng)。雖然我們還沒有研發(fā)出通用的量子計(jì)算機(jī)，但是Shor算法的出現(xiàn)，已經(jīng)引起不少網(wǎng)絡(luò)安全專家的關(guān)注。如果某些機(jī)構(gòu)或者個(gè)人在五十年后研發(fā)出量子計(jì)算機(jī)，今天我們通過公共領(lǐng)域，比如互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送的所有加密信息，一旦被攔截儲(chǔ)存下來，將會(huì)被一一破解。于是，量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想，促使了網(wǎng)絡(luò)安全專家去開發(fā)能對(duì)抗“量子攻擊”的新加密方法。

近年來，量子計(jì)算的研究已經(jīng)有不少重大突破，促進(jìn)了量子計(jì)算復(fù)雜性的發(fā)展。同時(shí)，利用量子算法的經(jīng)驗(yàn)也對(duì)經(jīng)典算法帶來沖擊。目前已經(jīng)有不少新的經(jīng)典算法是通過研究量子算法得到靈感的，體現(xiàn)出量子算法研究的總體價(jià)值。

對(duì)于未來，研究人員普遍認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)在量子化學(xué)模擬和人工智能領(lǐng)域中能夠大有作為。像過去許多偉大的發(fā)明一樣，量子計(jì)算機(jī)一旦研發(fā)成功，我們還會(huì)找到更多今天意想不到的應(yīng)用。

量子計(jì)算機(jī)的多路線之爭

其實(shí)，量子并不是像電子中子那樣的基本粒子，量子比特也不是什么稀缺的物質(zhì)。量子力學(xué)里面的量子是描述在微觀世界，物理系統(tǒng)的能量并非連續(xù)的事實(shí)，這種非連續(xù)性被中文翻譯成量子。所以，原則上任何量子系統(tǒng)里面的兩個(gè)能級(jí)，只要存在實(shí)驗(yàn)手段操控和讀出，都可以作為量子比特。

目前，發(fā)展相對(duì)成熟的系統(tǒng)包括：超導(dǎo)量子器件、量子點(diǎn)、囚禁離子、金剛石色心、核磁共振系統(tǒng)和線性光學(xué)系統(tǒng)等。不同物理系統(tǒng)的量子比特有不同的特性。過去，量子計(jì)算機(jī)的硬件研發(fā)，按照不同的路線，各自在同時(shí)開展。在一個(gè)物理系統(tǒng)中開發(fā)出的技術(shù)，也有可能在不同的系統(tǒng)上展示。日后量子硬件的發(fā)展也有可能是混合不同量子系統(tǒng)，取長補(bǔ)短去提升整體效能，代表著人類科技進(jìn)步的重大挑戰(zhàn)。

量子霸權(quán)時(shí)代

量子計(jì)算機(jī)理應(yīng)是個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)器?？墒牵覀冞€無法從理論上確切證明，量子計(jì)算機(jī)能“快速”解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能有效解決的問題。比如說，Shor量子算法的計(jì)算復(fù)雜性雖然比任何已知的經(jīng)典算法都要低，但是對(duì)于大數(shù)分解問題，我們并沒有排除等效甚至更快的經(jīng)典算法的存在性。一旦找到這樣的經(jīng)典算法，Shor量子算法的影響力將會(huì)大打折扣。

另一方面，在各國政府和企業(yè)的大力推動(dòng)之下，過去幾年，在實(shí)驗(yàn)室里，量子比特的數(shù)目不斷增長，同時(shí)質(zhì)量不斷提升。對(duì)于量子計(jì)算的科研人員來說，卻是又驚又喜。我們面前需要思考的問題，并不是教科書里面的“理想量子計(jì)算機(jī)”，而是“準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)”；這些基于量子力學(xué)原理運(yùn)作的復(fù)雜計(jì)算機(jī)器，雖然邏輯操作還沒達(dá)到通用量子計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，但是它們的行為已經(jīng)幾乎不能被經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效模擬。在量子計(jì)算的領(lǐng)域，一般稱之為“量子霸權(quán)”。

在這個(gè)量子霸權(quán)的時(shí)代，要推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我們有不少緊迫的任務(wù)，包括為這些準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)量身定做量子操作系統(tǒng)、量子算法、量子軟件，還有一整套復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

HiQ量子云服務(wù)平臺(tái)

實(shí)事求是地說，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的量子設(shè)備以及量子模擬機(jī)的計(jì)算能力，跟當(dāng)代計(jì)算機(jī)相比依然有很大差距?？v觀全球各研究機(jī)構(gòu)及商業(yè)公司，在物理層面上制造量子計(jì)算機(jī)的主要策略為逐步增加量子比特位數(shù)。

在量子計(jì)算硬件系統(tǒng)成熟之前，基于量子計(jì)算模擬器的量子軟件及算法研究是必經(jīng)之路。華為已經(jīng)在量子計(jì)算模擬器HiQ云服務(wù)平臺(tái)取得階段性成果。HiQ云服務(wù)平臺(tái)已在2018年華為全聯(lián)接大會(huì)上發(fā)布，包括量子計(jì)算模擬器與基于模擬器開發(fā)的量子編程框架，基于華為云強(qiáng)大的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，采用分布式架構(gòu)、算法優(yōu)化創(chuàng)新，克服了全振幅模擬器對(duì)內(nèi)存容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)延的挑戰(zhàn)，對(duì)外提供全振幅模擬和單振幅模擬的云服務(wù)。HiQ可模擬全振幅42量子比特以上，單振幅81量子比特（邏輯深度40層）以上，對(duì)于低深度電路的單振幅可模擬169量子比特（20層）。這是目前業(yè)界領(lǐng)先的量子電路模擬云服務(wù)，而且，它首次集成糾錯(cuò)量子電路模擬，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬量級(jí)量子比特的糾錯(cuò)電路模擬，性能是同類模擬器的5-15倍。

華為還首次展示量子編程框架，該框架兼容開源ProjectQ的同時(shí)，大幅提升量子算法的并行計(jì)算性能，新增兩個(gè)圖形用戶界面量子電路編排GUI（Graphical User Interface）和混合編排BlockUI（Block User Interface），使經(jīng)典-量子混合編程更加簡單和直觀。

華為量子計(jì)算的愿景

多年前，量子計(jì)算就被稱為是具備顛覆可能性的未來計(jì)算技術(shù)之一。如果實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要耗時(shí)上萬年的某些計(jì)算任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)能在幾分鐘甚至瞬間便可完成。雖然量子計(jì)算在硬件、軟件、算法、系統(tǒng)等多方面存在技術(shù)挑戰(zhàn)有待突破，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程；不過，從近年來量子計(jì)算領(lǐng)域飛速發(fā)展的趨勢來看，預(yù)計(jì)其將有可能在人工智能、藥物開發(fā)、量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)以及復(fù)雜優(yōu)化調(diào)度等多個(gè)方向帶來新的革命。

華為在持續(xù)關(guān)注量子計(jì)算機(jī)硬件最新進(jìn)展的同時(shí)，也投入研發(fā)力量參與部分探索性研究，以推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)盡快問世。

量子計(jì)算是一種不同于經(jīng)典計(jì)算的革命性計(jì)算技術(shù)。它首先是云計(jì)算面向未來的核心技術(shù)之一，同時(shí)，量子算法為AI算法帶來全新的視角，可啟發(fā)出更好的經(jīng)典AI算法，加速計(jì)算速度。HiQ云服務(wù)平臺(tái)的推出，標(biāo)志著量子計(jì)算的研究和創(chuàng)新邁出關(guān)鍵一步。未來，華為將持續(xù)在量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行深入研究和技術(shù)投入。華為堅(jiān)持開放、合作、共贏的理念，量子計(jì)算模擬器HiQ云服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)對(duì)外開放提供云服務(wù)，攜手廣大的開發(fā)者、研究人員、高校師生共同創(chuàng)新，推動(dòng)學(xué)術(shù)突破，以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算技術(shù)早日產(chǎn)業(yè)化。