摩爾定律“壽終正寢”？量子革命正在進行

作者 | Lulu

在摩爾定律逐漸失效的今天，我們該怎樣看待量子計算的發展？科技巨頭如何把控、跟蹤量子計算的時代脈搏？下一個十年裡，華為又如何更新知識結構，在量子浪潮中仍然屹立於前沿?

走近量子計算

量子計算（quantum computation），20 世紀 80 年代初期由阿貢實驗室的 P.Benioff 提出。1982 年，美國著名物理學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系模擬量子計算的過程：設想可以直接利用量子特性來模擬物質世界中的實際問題，讓量子電腦的運算過程對應於物理世界的過程，從而實現並行高效的計算求解。至此，量子電腦概念誕生，量子計算正式踏入“算力世界”。

但歸於技術的極高壁壘，大部分人對量子計算都只是聞其聲，未見其影。至於它究竟是如何解決實際場景中的各項問題更是知之甚少。其實，了解量子計算，要先從物理開始。

1924-1925 年，薛定諤、愛因斯坦、海森伯格和狄拉克等一大批物理學家共同創建了一個前所未有的新學科——量子力學。量子力學指出，量子態在測量過程中坍縮的隨機性，使得我們最多只能預測各種結果出現的概率；量子態的疊加性，表示一個量子態可以同時處於兩個相互矛盾的狀態中。

以“薛定諤的貓”這一著名思想實驗為例：設想在一個封閉的匣子裡，有一隻活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時，藥瓶被打破，貓將被毒死。按照常識，貓要麽就是死了，要麽就是活著。但量子力學告訴我們，存在一個疊加態，貓既死又活，直到進行觀察發生了什麽（對應於測量的坍縮過程）。這就是薛定諤用巨集觀世界的例子來比擬微觀領域的量子行為——量子的疊加性——直觀演繹貓的“生死疊加”。

而量子計算正是將量子力學與電腦科學相結合，遵循量子力學規律調控量子資訊單元進行計算的一種新型計算模式。

據華為量子計算軟體與算法首席科學家翁文康介紹，與傳統電腦不同，量子計算以微觀粒子構成的量子比特為基本單元，具有量子疊加、糾纏和不可克隆性。量子的疊加性，一方面意味著量子體系的存儲能力將隨著量子比特數的增長呈指數增長；另一方面，結合量子疊加和量子糾纏等特性，通過量子態受控演化將實現超強並行量子計算能力。

迷思還是解析

量子計算作為顛覆性的未來計算技術，有可能成為未來 AI 和雲計算的基石，並為未來科技帶來巨大的計算紅利。但值得注意的是，大多數人對目前量子計算技術的進展持謹慎態度。翁文康表示，量子計算是一場從根上開始的革命，在理論上有巨大的潛力，但距離真正的商用，從硬體、軟體到算法還有非常多的技術挑戰，是一個複雜的系統工程。

目前，量子計算在量子編碼、量子算法、計算模型和物理實現等方面取得了大量研究成果，越來越多的企業加入到量子計算工程化的陣營，量子器件的性能大幅提升。以量子比特數為例，企業介入之前量子比特數大概只有三到五個，到了今天已經大概有五十到七十個比特，這是一個巨大的飛躍。

但是，翁文康進一步表示，量子計算整體仍處於基礎理論研究和原型產品研發驗證階段，硬體、軟體、算法到系統等多項關鍵技術仍有待突破。另外，由於人才、技術、資金的限制，全球範圍內只有少數公司和大學開展量子計算的基礎研究。眼下，還沒有出現真正意義上的量子電腦，這極大製約了量子計算的研究和普及。

正是在這如此複雜的背景之下，華為結合過去在 ICT 產業中硬體、軟體、算法和系統工程的深厚積累，將量子計算納入華為基礎研究的重要方向之一。在 2018 年的 HC 大會中，華為發布量子計算模擬器 HiQ 雲服務平台，標誌著華為在量子計算的研究和創新上邁出了重要一步。

據翁文康介紹，HiQ 雲服務平台在量子電路模擬上實現了多項功能的重大創新，包括高性能分布式記憶體計算框架、最優化量子門調度及容和算法、量子門操作算法優化，以及在雲伺服器上的軟硬體優化等。

HiQ 雲服務平台基於華為雲強大的計算資源，採用了一些突破性技術。克服了全振幅模擬器增加量子比特時，記憶體容量和網絡寬頻需求指數級上升的一些挑戰，並且對外提供全振幅模擬和單振幅模擬的雲服務。而且，它首次集成糾錯量子電路模擬，可實現數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。

與此同時，在量子算法的運算能力上，HiQ 量子計算模擬器雲服務可進行 10 余種重要基礎量子算法的運算，包括量子隨機數生成、量子隱形傳態、Grover 搜索算法、Shor 質數分解算法、量子支持向量機、相位估計以及最大值查詢等。

另外，翁文康強調，HiQ 不僅有業界領先的全振幅和單振幅模擬器，還在業界率先推出：高性能量子糾錯電路模擬器雲服務。這是業界第一次將量子糾錯模擬器放在雲服務上，目的是創造科研和教育的使能平台。高性能量子糾錯電路模擬器雲服務基於 Stabilizer Circuit 模型，模擬數十萬量子比特電路，可應用於超導量子電路、離子阱量子電腦等量子計算硬體的糾錯，為量子糾錯機制研究提供有用工具。

當前，第二次量子革命的號角已經吹響。華為的突破已讓探索量子算法和應用的步伐越來越快。

路漫漫其修遠兮

如果量子計算想要取得真正的成功，不能僅靠華為或者 IBM 發布的一些高端機器，還需要開發者和使用者之間緊密的相互合作。只有在一個相對開放、合作、共享的平台上，使用者的各種配套技能才能取得快速發展。

而針對企業來說，今天應用量子技術的配套裝置僅僅是個開始。接下來的挑戰大部分是工程技術上的，而非科學理論上的。量子技術更激動人心之處正是它目前尚未開發的潛能。翁文康以量子人工智能為例表示，今天的 AI 還存在很多問題，一方面算力不足，另一方面 AI 還無法像人腦一樣自主連續地學習、無法進行抽象思考等，而量子算法的研究可能會給未來 AI 算法帶來全新的思路：用量子 AI 算法的思想啟發經典 AI 算法，向強人工智能或自然智能演進；另外，量子計算也可能為新材料設計、藥物設計、加密體系、複雜優化調度問題等帶來革命性的變化。

過去 20 世紀的大部分時間裡，“量子”在普羅大眾的意識裡代表著“詭異”和“高深”。然而在 21 世紀，它將意味著“更好”和“未來”。

正如翁文康所說：“量子計算是一種不同於經典計算的革命性計算技術，也是雲計算面向未來的核心技術。量子算法為 AI 算法帶來全新的視角，可啟發出更好的經典 AI 算法，加速計算能力。未來，華為將持續在該領域進行投入，華為量子計算模擬器 HiQ 雲服務平台將對外開放提供雲服務，攜手廣大開發者、研究人員、老師和學生們共同創新，推動量子計算的技術研究和產業化發展。”