量子計算：突破摩爾定律，開啟算力新時代

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

摩爾定律的結束也是個開始

計算機是現(xiàn)代人類文明的標志，現(xiàn)代社會對計算資源的需求永無止境。歷史告訴我們，計算能力的提升使得社會運行更有效率，也引發(fā)出更多意想不到的應用，讓我們的生活多姿多彩。

目前，我們普遍使用的計算機的工作原理是基于“經典力學”的框架去設計的，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，經典計算機芯片之所以能越做越好，計算能力不斷提高，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，不僅單位大小內可放置的元件增加，而且電流信號從一個元件到另外一個元件的距離減少，邏輯操作就可以被加速了，同時能耗也會減少，一舉多得。這個套路，成就了著名的“摩爾定律”，它描述過去幾十年時間，工業(yè)生產的芯片密度大概每十八個月翻一番的事實。

可是，摩爾定律提出之時，也預示了它失效的日子——因為物理元件不可能無限縮小。我們都知道，所有的物質都由原子組成，到了原子尺度，粒子的行為是按照量子力學規(guī)律運行而不再是經典力學，甚至連如何定義1和0也變成一個大問題。

不過，摩爾定律的失效，并不代表人類不斷追求更強大計算能力的道路就此終結。借用丘吉爾的名言：“現(xiàn)在不是結束，甚至不是結束的開始。但是，也許，現(xiàn)在是開始的結束。”摩爾定律引領人類到達經典世界和量子世界的邊界，跨過去之后，量子計算將會開辟一片新天地。

量子力學讓我們意識到，真實的世界，原來有非常多的物理規(guī)律是違反直覺的，顛覆了我們對整個世界的認知。在量子世界，很多經典物理學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”代表1和0；真是見山不是山，見水不是水。量子計算的核心思想，就是要以量子力學作為框架，發(fā)展出更強大的量子計算機器，讓我們重新認識計算的意義；達到見山只是山，見水只是水。

第二次量子革命

憑著量子力學的框架，人類對各種物質的特性有更深刻的認識，產生了不少尖端科技發(fā)明。比如，通過認識光的量子特性，研發(fā)出激光；通過認識電子的量子特性，研發(fā)出芯片；通過認識磁鐵的量子特性，研發(fā)出核磁共振成像技術，等等。這些通過研究物質的量子特性所引發(fā)的技術進步，可歸類為第一次量子革命。

隨著技術的進步，我們對各種微觀系統(tǒng)的調控能力大幅提升；我們不僅能操控一個個原子的行為，甚至可以測量出單個電子產生的電流。這些尖端科技允許我們對量子力學的基本特性進行反復驗證，促進第二次的量子革命。

第二次量子革命的特征是需要從量子力學的“本質”去發(fā)展新科技。比如說，通過量子疊加原理去發(fā)展出量子計算機；通過量子糾纏發(fā)展出量子精密測量技術；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帶來多方面的科技突破。

量子計算的潛力

量子計算機的工作原理和經典計算機最大的差異，就是存儲和傳輸數(shù)據的基本單元“比特”被替換成“量子比特”。這里，我們利用了量子疊加原理：一個量子比特能“同時”處于0和1兩個邏輯狀態(tài)的線性疊加態(tài)；兩個量子比特的狀態(tài)可以同時處于00、01、10、11四個邏輯狀態(tài)的疊加態(tài)；多個量子比特對應的狀態(tài)可以達到指數(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，其直接威脅到經典計算機網絡依賴的加密系統(tǒng)。雖然我們還沒有研發(fā)出通用的量子計算機，但是Shor算法的出現(xiàn)，已經引起不少網絡安全專家的關注。如果某些機構或者個人在五十年后研發(fā)出量子計算機，今天我們通過公共領域，比如互聯(lián)網，發(fā)送的所有加密信息，一旦被攔截儲存下來，將會被一一破解。于是，量子計算機的構想，促使了網絡安全專家去開發(fā)能對抗“量子攻擊”的新加密方法。

近年來，量子計算的研究已經有不少重大突破，促進了量子計算復雜性的發(fā)展。同時，利用量子算法的經驗也對經典算法帶來沖擊。目前已經有不少新的經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值。

對于未來，研究人員普遍認為，量子計算機在量子化學模擬和人工智能領域中能夠大有作為。像過去許多偉大的發(fā)明一樣，量子計算機一旦研發(fā)成功，我們還會找到更多今天意想不到的應用。

量子計算機的多路線之爭

其實，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。量子力學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，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)里面的兩個能級，只要存在實驗手段操控和讀出，都可以作為量子比特。

目前，發(fā)展相對成熟的系統(tǒng)包括：超導量子器件、量子點、囚禁離子、金剛石色心、核磁共振系統(tǒng)和線性光學系統(tǒng)等。不同物理系統(tǒng)的量子比特有不同的特性。過去，量子計算機的硬件研發(fā)，按照不同的路線，各自在同時開展。在一個物理系統(tǒng)中開發(fā)出的技術，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)，取長補短去提升整體效能，代表著人類科技進步的重大挑戰(zhàn)。

量子霸權時代

量子計算機理應是個強大的計算機器?？墒?，我們還無法從理論上確切證明，量子計算機能“快速”解決經典計算機不能有效解決的問題。比如說，Shor量子算法的計算復雜性雖然比任何已知的經典算法都要低，但是對于大數(shù)分解問題，我們并沒有排除等效甚至更快的經典算法的存在性。一旦找到這樣的經典算法，Shor量子算法的影響力將會大打折扣。

另一方面，在各國政府和企業(yè)的大力推動之下，過去幾年，在實驗室里，量子比特的數(shù)目不斷增長，同時質量不斷提升。對于量子計算的科研人員來說，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“理想量子計算機”，而是“準量子計算機”；這些基于量子力學原理運作的復雜計算機器，雖然邏輯操作還沒達到通用量子計算的標準，但是它們的行為已經幾乎不能被經典計算機有效模擬。在量子計算的領域，一般稱之為“量子霸權”。

在這個量子霸權的時代，要推動量子計算機的發(fā)展，我們有不少緊迫的任務，包括為這些準量子計算機量身定做量子操作系統(tǒng)、量子算法、量子軟件，還有一整套復雜的系統(tǒng)工程。

HiQ量子云服務平臺

實事求是地說，各個研究機構的量子設備以及量子模擬機的計算能力，跟當代計算機相比依然有很大差距。縱觀全球各研究機構及商業(yè)公司，在物理層面上制造量子計算機的主要策略為逐步增加量子比特位數(shù)。

在量子計算硬件系統(tǒng)成熟之前，基于量子計算模擬器的量子軟件及算法研究是必經之路。華為已經在量子計算模擬器HiQ云服務平臺取得階段性成果。HiQ云服務平臺已在2018年華為全聯(lián)接大會上發(fā)布，包括量子計算模擬器與基于模擬器開發(fā)的量子編程框架，基于華為云強大的計算基礎設施，采用分布式架構、算法優(yōu)化創(chuàng)新，克服了全振幅模擬器對內存容量和網絡帶寬時延的挑戰(zhàn)，對外提供全振幅模擬和單振幅模擬的云服務。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)界領先的量子電路模擬云服務，而且，它首次集成糾錯量子電路模擬，可以實現(xiàn)數(shù)萬量級量子比特的糾錯電路模擬，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，大幅提升量子算法的并行計算性能，新增兩個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），使經典-量子混合編程更加簡單和直觀。

華為量子計算的愿景

多年前，量子計算就被稱為是具備顛覆可能性的未來計算技術之一。如果實現(xiàn)指數(shù)級別的加速，經典計算機需要耗時上萬年的某些計算任務，量子計算機能在幾分鐘甚至瞬間便可完成。雖然量子計算在硬件、軟件、算法、系統(tǒng)等多方面存在技術挑戰(zhàn)有待突破，是一個復雜的系統(tǒng)工程；不過，從近年來量子計算領域飛速發(fā)展的趨勢來看，預計其將有可能在人工智能、藥物開發(fā)、量子化學、新材料設計以及復雜優(yōu)化調度等多個方向帶來新的革命。

華為在持續(xù)關注量子計算機硬件最新進展的同時，也投入研發(fā)力量參與部分探索性研究，以推動量子計算機盡快問世。

量子計算是一種不同于經典計算的革命性計算技術。它首先是云計算面向未來的核心技術之一，同時，量子算法為AI算法帶來全新的視角，可啟發(fā)出更好的經典AI算法，加速計算速度。HiQ云服務平臺的推出，標志著量子計算的研究和創(chuàng)新邁出關鍵一步。未來，華為將持續(xù)在量子計算領域進行深入研究和技術投入。華為堅持開放、合作、共贏的理念，量子計算模擬器HiQ云服務平臺已經對外開放提供云服務，攜手廣大的開發(fā)者、研究人員、高校師生共同創(chuàng)新，推動學術突破，以實現(xiàn)量子計算技術早日產業(yè)化。