百度段潤堯：四個因素讓量子運算的出現成為必然

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從火爆出圈的「量子優越性」主題，到今年諾貝爾物理學獎花落量子資訊科學領域。

量子運算這個技術名詞，早已成為當下最受關注的科技議題之一。

而一系列最新技術進展，也催生出一個新的問題：

量子運算，究竟離我們的生活還有多遠？

事實上，有數據顯示，到2031年左右，有將近8,000億的市場規模將會直接與量子運算相關。

這意味著這領域即將迎來浩蕩的落地之旅。

那麼，我們要如何踏出第一步，又該如何建構一台真正的量子電腦？

來自百度量子計算研究所的所長段潤堯，師從應明生教授，是悉尼科技大學終身教授和量子軟體與資訊中心創辦主任、澳洲亞洲研究理事會Future Fellow。

從2001年起他就開始從事量子計算和量子資訊技術領域，並做出了原創性貢獻；他所在的百度，已率先給出了量子計算從底層硬體到上層應用的一整套產業化解決方案。

所以在MEET 2023智慧未來大會現場，段潤堯就以百度為例分享了一些經驗和看法，他表示：

#最近幾年是量子真正開始和計算結合的非常關鍵的幾年，量子計算的出現有著多方面的必然性。

如果我們希望把摩爾定律的優點和便宜的算力繼續延續下去，就需要考慮新的一種計算模式，就是量子計算。

而想要造出一台真正的量子計算機，他的結論很簡單：

就是聰明的腦袋，再加上足夠的資源和現有的最好的技術，匹配起來。

為了完整體現段潤堯在量子計算產業化從硬體到軟體以及應用方面解決方案的思考，量子位元在不改變原意的基礎上，對他的演講內容進行了編輯整理。

關於MEET 智慧未來大會：MEET大會是由量子位元主辦的智慧科技領域頂級商業高峰會，致力於探討前沿科技技術的落地與產業應用。今年共有數十家主流媒體及直播平台通報了MEET2023大會，吸引了超過300萬產業用戶線上參會，全網總曝光量累積超過2,000萬。

演講要點

• 要把摩爾定律優勢延續下去，把便宜的算力延續下去，就需要考慮新的一種計算模式，也就是量子計算。
• 我們已經處於一個非常關鍵的節點，也就是量子運算的優勢開始超越經典運算。如果突破這個點，後面將會帶來非常多的可能性。
• 到了2031年左右，將近有8000億的市場規模將會直接跟量子運算相關；將近70%的企業想在這方面做一些佈局。
• 量子運算和人工智慧更是一個相互促進、相互糾纏的關係，從上面的應用，中間的整個平台框架，到底下的硬體層面都可以產生連結。
• 量子計算的整體投入很多，但是對具體的演算法和軟體投入有限，這方面需要加強，並且已經到了關鍵的階段。
• 如何真正造出一台量子電腦？我的結論其實很簡單，就是聰明的腦袋，再加上有足夠的資源和現有的最好的技術。

（以下為段潤堯所長演講分享全文）

為什麼說量子運算的出現是必然的？

今天我看到這個圖示（大會圖示），就讓我想起量子資訊裡面的量子糾纏。

事實上可以這麼講，我們今天討論的量子計算本身就是計算與量子資訊進行的糾纏。

一方面，從上古時代開始的結繩計數，到後面的算盤、計算尺，到今天的計算機、超級計算機等等，計算已涵蓋了我們社會的各個方面。

另一方面，量子其實是我們對這個世界的新認識。

我們知道，原始時代對這個世界只有粗淺的經驗認識，到後面才開始有牛頓力學，有麥克斯韋的電磁理論，以及上個世紀我們終於能夠發現這個世界其實遵循量子力學規律。

量子力學從上個世紀20年代產生以後，其實就已經對我們這個世界產生了翻天覆地的影響，這就是所謂的第一次量子革命。

包括我們今天熟悉的雷射、晶體管，還有核磁共振，以及原子能這樣一些東西，都是依據量子力學直接使用產生的，特別是今天使用的互聯網。

這第一次量子革命，基本上改變了我們整個社會的各個層面。

而現在，我們這個時代其實已經進入到了第二量子革命，或是新量子革命的階段。

在這個階段，我們已經不再滿足於對一塊材料整體進行量子力學的預測，我們希望能夠直接操控到一個具體的系統，利用這樣一個系統進行處理。在這個過程中，像量子糾纏這樣一些量子特性真正產生了影響。

這幾年應該是量子真正開始和計算結合的非常關鍵的幾年，特別是大家知道的谷歌開發的量子計算機“懸鈴木”，以及中科大做出來的“祖沖之號”，這些都證明當量子和計算結合在一起的時候，在一些特定問題上可以真正展現超能力。

量子和計算真正結合以後，新的學科就出來了，我們也相信這個東西會為我們帶來全新的世界，原因是可以帶來算力的指數級提升。

講了這麼多大家可能有個大概印象，量子和計算的結合是非常重要的，但是到底怎麼個重要法呢？

實際上，量子計算的出現是不可或缺的。

一方面，當我們的晶片尺寸小到一定程度的時候，例如1奈米，這時候就進入了量子力學的尺度，在這個尺度裡面，我們需要去考慮用量子力學的方式設計晶片，不能只靠傳統的方式。

所以這個時候自然就要求我們，如果我們希望能夠把摩爾定律優勢延續下去，把便宜的算力延續下去，我們就需要考慮新的一種計算模式，就是量子計算。

當然了，這也跟能源消耗有關。因為大家知道計算是非常消耗能量的，但是如果採用量子計算，本身就是可逆的計算模式，最終消耗能量是可以非常小的。

另一方面，我們的資料量已經非常大了，就如剛才那些報告裡面大家提到各種大模型，需要很大的計算量。

其實當我們想去對一個量子系統進行模擬的時候，哪怕是一個很小的系統，例如像300個量子位元（量子位元就是經典位元的量子對應物），要表達這樣的系統狀態所需的儲存量已經超過了我們整個宇宙可見的原子數目。

除此之外，量子還有很多正面效應，例如有很多演算法我們可以從理論上證明它的優勢，特別是在一些特定問題上的指數優勢。

還有我們每天都在用互聯網，用網絡來進行各種各樣的交易，或者說各種各樣的信息傳遞，在這個過程中，信息的安全非常重要。

但非常不幸，量子電腦其實是可以把財務RSA的系統攻破的。

現有的例如我們做10​​00位元大數的質數分解，用傳統電腦可能要花很長時間，比宇宙時間長度還大。但是如果真正能夠造出來中型的量子計算機，大概只要花幾秒鐘，甚至幾秒鐘都不用就可以解決這個問題。

到2031年，量子運算市場規模將達8,000億

其實我們今天已經處於一個非常關鍵的節點，也就是量子運算的優勢開始超越經典運算。如果突破這個點，後面將會帶來非常多的可能性。

也正是因為這樣的可能性，量子科技一直非常受目前產業重視。

大家可以看到，在「十四五」規劃和2035遠景目標裡面，特別把量子資訊和積體電路、人工智慧一起作為優先發展的三駕馬車之一。

國外歐美等主要國家對這方面的投入也非常之大。

在工業界大家已經意識到它很有可能帶來新的資訊革命，國內外大企業都已經在這方面進行佈局，包括百度也在2018年開始真正進入這個領域。

除此之外還有很多非常優秀的新創公司也在做一些研究。

這裡有兩個數據，經過各種資料綜合以後，我們發現：

#到了2031年左右，將近8000億的市場規模將會直接跟量子運算相關；將近70%的企業想在這方面做一些佈局。

所以這是一個非常令人興奮的事情。那麼具體可以用在哪些方面呢？

我們知道，整個量子計算是從硬體到軟體和演算法這些方面都會產生變革，所以基本上可以講，很多重要的領域都和它相關的。

尤其是我這邊簡單列的幾個方向，比如化工醫藥，以藥物研發問題為甚；或者是金融科技裡面的一些優化問題；或者包括新能源電池裡面關於化學模擬問題，以及資訊安全……這些方面都可以和量子計算產生密切的聯繫。

除此之外，其實量子運算和人工智慧也更是一個相互促進、相互糾纏的關係，不僅是上面的應用，中間的整個平台框架，底下的硬體層面都可以產生相互的聯繫，這是量子對我們人工智慧的影響。

另一方面，量子也可以受益於我們現有的一些非常先進的人工智慧技術，特別是深度學習可以幫助我們對量子系統的許多性質做研究，包括量子演算法，以及量子的協議等。

像百度在2020年的時候，就已經建立了一個叫做量槳的量子機器學習平台。

量子運算的產業化需解決三方面難題

我們目前有這麼多的機會可以依靠，我們也知道量子即將走入我們的實際生活，但是在座的或者在線的同學，到底有幾位真正使用過量子電腦？

我相信人數還是非常有限的。

很多時候我們可能只是從新聞、或報紙上看到相關的一些報道，但是我們真正想做產業化的話，我們就需要把量子電腦從實驗室裡面帶到我們的實際生活之中。

但是在實驗室裡面的問題是什麼呢？平台單一、不穩定……有很多的問題，導致量子算力很難輸出。

我們產業化道路需要解決什麼呢？需要解決從硬體到軟體以及應用一系列的問題。

比如說在硬體方面，我們需要解決穩定性的問題，就是你這個東西能不能持續地輸出量子的算力，今天開了，明天又掛了，這個不行。

第二個，你還要提供一個平台，硬體的一個平台。除此之外，你還要確保這個晶片是能夠有一個自動化的設計方法能夠不斷地為你提供新的換代，這很重要。

在軟體層面，特別重要的一點就是我們能不能有一個好的軟體平台使得我們的程式設計師從經典程式步入量子程式設計。除此之外還包括軟體介面怎麼弄、糾錯怎麼弄等等。

在應用程式層面則需要好的演算法庫，真正有優勢的場景。

總之，產業化的場景在科學研究，技術以及工程化這幾方面提出了多維度的挑戰。

百度提出了QIAN策略#。 Q是量子演算法、量子AI及量子架構。 I就是軟體和硬體的基礎設施。除此之外，還要真正辨識出一些具有重大應用價值的場景，A就是實際的一些重要的應用。最後當然還有網絡，N指量子互聯網，除此之外我們也需要建立生態網絡。

其中大家可以看到“QIAN”的三種解釋：一方面是順應科技發展的大勢，就是“乾坤”的“幹”；一方面是“前瞻性”的“前”，真正聚焦前瞻性的應用；最後一方面，真正能夠把量子的生態資源利用好，就是“金錢”的“錢”。

而整個百度量子經過4年多的發展，從上面的應用到底層硬體已全套打通，不僅有軟體，也有硬件，還有量易簡的教程，量子作業系統的平台、工具集等等。

也就是在這樣一個平台指導下，我們最終下決心要把這一整套東西全部打通，所以我們希望真正能夠把軟體、硬件，還有應用全部集成起來做出來給大家看，真正實現軟硬一體，把量子算力真正輸入到每個使用者手上。

我們在今年8月份的時候在第一次量子開發者大會上推出了一個叫「幹始」的高度整合的產業級量子電腦# 。

為什麼說它是產業級的量子電腦？其實是因為它能夠持續穩定地提供服務，雖然現在的晶片能力還是比較有限，但是我們已經能夠持續地穩定給用戶服務。

事實上，每一個人只要對量子資訊有點興趣，都可以打開手機下載量易伏APP，你就能很快學到一些最基本的量子知識。

我們已經提供了5個有趣的應用，從量子疊加到量子糾纏，到量子的搜索，以及後面還有一系列的量子神經網路這樣的東西供大家使用。我們相信透過這樣的努力，讓量子計算能夠觸手可及。

那麼像百度這樣的企業經開始做量子的產業化努力，但是更多的企業自己可能也希望能夠真正把量子的東西引進到自己企業的服務裡面，這個該怎麼辦？也就是說我們如何幫助其他產業實現產業量子化？

剛才我提到這個數據，將近有七成企業有這個需求，這個時候大家就會發現，這裡面有一個很大的鴻溝需要跨過。

我們今年8月份發布了一個叫量羲的全球首個量子軟硬一體化解決方案，能非常便捷地實現企業對量子的佈局。

這個平台現在有很大的優點，首先是全平台，不管手機、PC，各種各樣的硬體都可以適配。

其次，它其實有軟體硬體一整套的技術。

另外一方面，它也能夠真正地為企業提供落地服務，例如有私有化客製化雲端服務，可以幫它整體部署，進行一站式的升級。

具體就是三個步驟。首先是這個企業可以來和我們可以一起討論，量子計算到底對你這個行業，對你的公司，具體產生一個什麼樣的影響，可以定一個策略；第二，它已經確定是一個趨勢，我們就可以考慮真正去把企業裡面一些核心的問題辨識出來，用我們的量子方法為你制定解決方案；第三步是具體的落地。

我們希望能夠透過我們做的百度量子平台這樣一些技術，包括乾始的量子實際產品，最終能夠輸出量羲這樣的方案，能夠讓我們千行百業受到幫助。

「聰明的頭 足夠的資源 現有最好的技術=一台量子電腦」

在這個報告最後，我想順便做一下展望。

其實我二十多年來一直在思考一個問題：如何真正能夠創造一台量子電腦？

我的結論其實很簡單，就是聰明的腦袋，再加上有足夠的資源和現有的最好的技術，匹配起來就可以做出量子計算機。

從這個意義上講，全球可以有很多不同的組合都可以做出這樣的機器，這個過程是可以等價的。

目前量子電腦存在的問題是什麼？

首先是人才很稀缺，如果你學量子計算，那麼市場上有好幾個offer等著你。

其次就是資金。量子計算整體投入是很多，但是對具體的演算法和軟體投入有限，這方面需要加強。

其實很多的資本可以考慮量子計算，因為以前可能說有點早，但是現在已經到了關鍵的階段。

另外，我們其實希望能夠透過百度量子平台建構一個開放永續發展的量子運算生態。

這樣我們不僅對我們的開發者，對我們的用戶提供服務，我們也希望能夠和學術界，和我們的資深專家（包括我們的Artur Ekert顧問），量子的專家建立合作關係。

另外就是與硬體團隊的合作我們也是非常需要的，因為我們主要偏軟體，雖然我們也有我們自己的硬件，但是我們更希望和硬體團隊進行更深入的合作，把量子晶片做得更好。

當然，還有一方面就是大學的合作永遠是我們創新的來源。

再次感謝大家的傾聽，謝謝！

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