全(quan)國首例(li)，量子(zi)計算突破!
就在7月10日，中國移動研究(jiu)院與(yu)本(ben)源量(liang)子官宣，成功實現“基于通用量(liang)子計(ji)算機(ji)真機(ji)的(de)算法驗證”，初步結果滿(man)足預期要求。
目前該條信息已在(zai)網(wang)上引發不(bu)少關注，不(bu)過，也有網(wang)友表示——
沒看懂。
的確，對多數人而言，中移動最大標簽無疑是通信運營商，而前沿科技范疇的量子計算機與他們有怎樣關聯?此次取得的突破又意義何在?
不妨細究一番。
通用量子計算機強在哪?
我們先從概念看起。
量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)機(Quantum computer)是一種使用(yong)量(liang)子(zi)(zi)邏輯進行通用(yong)計(ji)(ji)算(suan)的(de)設備。其與(yu)傳統(tong)計(ji)(ji)算(suan)機不(bu)同之處(chu)，在于量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)用(yong)來(lai)存儲數據的(de)對象是量(liang)子(zi)(zi)比特，靠量(liang)子(zi)(zi)算(suan)法來(lai)處(chu)理(li)數據。
通過利用量子力學效應，例如疊加和量子干涉，量子計算機能夠比傳統計算機更快地解決某些類型的問題。
圖源：Nature
為什么量子計算機運轉速度更快，研究多年大廠IBM給出一個例子解釋：
對(dui)于大型蛋白質(zhi)序列(lie)數據庫進行分類任務，經典的超級計算機可(ke)(ke)能會嘗試用蠻(man)力折疊蛋白質(zhi)，利用眾多處理器檢查各種可(ke)(ke)能的化(hua)學鏈彎曲方式，然后(hou)再得出(chu)答案(an)。
但(dan)隨著蛋(dan)白質序列變得越(yue)來(lai)越(yue)長(chang)、越(yue)來(lai)越(yue)復雜，超級計算(suan)機就會停(ting)止運行。一條由 100 個氨基酸組成(cheng)的鏈，理論上可以用數萬億(yi)種方式中(zhong)的任何一種方式折疊。沒(mei)有哪(na)臺(tai)計算(suan)機所(suo)具有的工作內存(cun)足(zu)以處(chu)理單(dan)個折疊的所(suo)有可能組合。
相比傳統超級計算機，量子算法采用了一種新方法來解決這些復雜的問題，即創建多維空間。而用于運行多維量子算法的載體，即量子比特。
圖注：量子比特(te)的疊加態可以表示(shi)更多信息。來自wiki
落回(hui)蛋白質折(zhe)疊問題，這(zhe)種模式可能(neng)是——所需能(neng)量最(zui)少的(de)折(zhe)疊組合，相比之(zhi)下，經典計算(suan)(suan)機無(wu)法(fa)(fa)創建這(zhe)些計算(suan)(suan)空間，因此它們無(wu)法(fa)(fa)找到這(zhe)些模式。
而對(dui)于蛋白質問題，目(mu)前已有早期(qi)量子算法，能(neng)以更(geng)高效(xiao)的新方式找到折(zhe)疊模(mo)式，而無需像經(jing)典(dian)計(ji)算機那樣費力地執行(xing)檢查(cha)程序。
圖源：IBM
如果還沒理解，不妨再看看郭光燦院士一段論述：
量(liang)子比(bi)特可(ke)以(yi)制備在(zai)兩個(ge)(ge)邏(luo)輯態0和1的相干疊加(jia)態，換句話講，它(ta)可(ke)以(yi)同時(shi)存儲(chu)0和1。考(kao)慮一個(ge)(ge)N個(ge)(ge)物理比(bi)特的存儲(chu)器(qi)，若它(ta)是經典存儲(chu)器(qi)，則它(ta)只能存儲(chu)2^N個(ge)(ge)可(ke)能數(shu)據當中的任一個(ge)(ge)。
若(ruo)它(ta)是量子存(cun)(cun)(cun)儲(chu)器，則它(ta)可以同時存(cun)(cun)(cun)儲(chu)2^N個數(shu)，而且，隨著(zhu)N的增加，其存(cun)(cun)(cun)儲(chu)信息的能力將(jiang)指數(shu)上(shang)升，例(li)如，一個250量子比(bi)特(te)的存(cun)(cun)(cun)儲(chu)器 (由(you)250個原(yuan)子構成)可能存(cun)(cun)(cun)儲(chu)的數(shu)達2^250，比(bi)現有已(yi)知的宇宙中全部原(yuan)子數(shu)目還要(yao)多。
由于數學(xue)操作可(ke)以同時對存儲器中全(quan)部的數據進行，因此，量子計(ji)算(suan)機(ji)在實施一次的運算(suan)中可(ke)以同時對2^N個輸入數進行數學(xue)運算(suan)。
其(qi)效果相(xiang)當于經典計算(suan)機重復(fu)實施2^N次操(cao)(cao)作，或者采用2^N個不同處理器實行并行操(cao)(cao)作。可(ke)見，量子計算(suan)機可(ke)以(yi)節省大量的運算(suan)資源(如時間、記憶單元等)。
要實現上述原理，子處理器需要在近乎于絕對零度下工作。所以說，盡管量子計算機的處理器并不大，與普通PC芯片尺寸在一(yi)個量級，但量子計算機整體卻很大，能塞滿一(yi)整個房(fang)間(jian)。
圖源：本源量子
在IBM的介紹中，量子計算機的應用案例包括了——半導體化學工程、奔馳電池設計，歐洲原子能研究中心也謀求將其應用于希格斯粒子及宇宙起源的相關研究。據本源量子官網介紹，更多應用領域還包括：工程設計、生物化學、大數據、金融科技、人工智能。
那么在通信方面，量子計算機有什么應用?
此(ci)次發布中(zhong)(zhong)(zhong)，本(ben)源(yuan)量子(zi)軟件(jian)中(zhong)(zhong)(zhong)心總監(jian)竇猛漢對(dui)外(wai)介紹，成果(guo)針對(dui)的是(shi)——5G現(xian)網中(zhong)(zhong)(zhong)基站大規模天線參數的優(you)化問(wen)題。
眾(zhong)所周(zhou)知，5G基站典型特(te)點，是引入(ru)大(da)規模(mo)天線(Massive MIMO)技(ji)術(shu)，通(tong)過對大(da)規模(mo)的天線陣列進行部署，可以在(zai)無(wu)線信道環境允許條件下，大(da)幅提高頻(pin)譜效(xiao)率，節約(yue)基站能耗，提升空(kong)間(jian)利用(yong)率。
圖源(yuan)：5gtechnologyworld
這當(dang)中，大規模天線(xian)參數優化調(diao)整直接關系到5G體(ti)驗，技術門(men)檻也(ye)不(bu)低。
一(yi)方面，對比(bi)傳(chuan)統(tong)設備的2天(tian)(tian)線(xian)(xian)、4天(tian)(tian)線(xian)(xian)、8天(tian)(tian)線(xian)(xian)相比(bi)，采用大(da)規模天(tian)(tian)線(xian)(xian)技術的通道(dao)數(shu)可(ke)(ke)達32或(huo)者64，天(tian)(tian)線(xian)(xian)陣子(zi)數(shu)可(ke)(ke)做到192、512甚至更高，其(qi)增(zeng)益大(da)大(da)超(chao)越傳(chuan)統(tong)設備，相關技術難度也提(ti)升不少。
另一方(fang)面(mian)，是信(xin)號(hao)覆蓋的(de)維度方(fang)面(mian)。之前(qian)天線(xian)主(zhu)要考慮(lv)水(shui)平方(fang)向的(de)移動(dong)，但大規模(mo)天線(xian)為水(shui)平方(fang)向和垂直空域的(de)移動(dong)，信(xin)號(hao)的(de)輻射呈(cheng)電(dian)磁波束。
上(shang)述兩方面，再結合(he)城區不(bu)同環境覆蓋(gai)、局部熱點、郊區覆蓋(gai)與無線回傳(chuan)等場景(jing)，對(dui)配置部署來說，不(bu)僅需要新(xin)應用所(suo)求(qiu)，更(geng)需滿(man)足智(zhi)能(neng)化(hua)、低碳(tan)化(hua)趨勢，優化(hua)難度不(bu)小。
此次實驗中，本源量子通過有效建模、算法設計和真機驗證，初步證明了量子算法在該類特定問題中的可行性。據稱，此次驗證是全國首個使用量子計算機真機進行通信網絡算法驗證的案例，實現了量子計算應用于通信網絡的良好開局。如此說來，果真是5G也搞”遇事不決量子力學“了。
關于后(hou)續在(zai)通信領域的(de)應用，中國移動(dong)研究(jiu)院未來研究(jiu)院院長崔春風在(zai)媒(mei)體采訪(fang)中表示：
相比5G，6G將面臨(lin)(lin)更(geng)大(da)(da)(da)規模(mo)業務(wu)優化(hua)、更(geng)大(da)(da)(da)規模(mo)網絡優化(hua)、更(geng)大(da)(da)(da)規模(mo)信號處理和(he)機器學習大(da)(da)(da)模(mo)型訓練等計(ji)算(suan)難題(ti)，經典計(ji)算(suan)與算(suan)法(fa)面臨(lin)(lin)著巨(ju)大(da)(da)(da)壓力。算(suan)力強大(da)(da)(da)正是量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)機的最大(da)(da)(da)特征。當前(qian)，全(quan)球量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)正穩步(bu)發展，已經在一些高算(suan)力需求行業得(de)到試點性應用。
“我(wo)們想嘗試(shi)從一些典型場景中(zhong)的(de)小(xiao)規模問(wen)題入手，來(lai)評估和驗證(zheng)量子計(ji)算在(zai)通信網絡，尤其(qi)是6G中(zhong)的(de)應用(yong)可行性(xing)。”崔春風說(shuo)。
科技巨頭押注量子計算
量子(zi)計算(suan)在近些年(nian)越來越火，科技巨(ju)頭紛紛加(jia)碼。
這當中，IBM算較早布局的企業，近些年亮眼突破也頻出。
2015年，IBM的(de)研(yan)究(jiu)人員就利用2×2的(de)方形量(liang)子(zi)比(bi)特電路(lu)，實現(xian)了同(tong)時發(fa)現(xian)和測(ce)量(liang)兩種量(liang)子(zi)誤差，而這(zhe)是(shi)建造實用量(liang)子(zi)計算機的(de)關鍵步(bu)驟。此后，IBM在2016年開(kai)始以(yi)云計算服務(wu)的(de)形式提供量(liang)子(zi)計算能力。
2017年底，IBM推(tui)出了兩款(kuan)第(di)二代云(yun)端量(liang)子(zi)(zi)處理器，第(di)一(yi)款(kuan)擁有(you)16個量(liang)子(zi)(zi)比特，能(neng)夠在(zai)云(yun)端加快處理速(su)度;第(di)二款(kuan)的處理能(neng)力較第(di)一(yi)款(kuan)再增加一(yi)倍，并已設計為(wei)商用模(mo)型(xing)。
2019年，IBM在消費電子展上展示了已開發的世界首款商業化量子計(ji)算(suan)機——IBM Q System One。
約一(yi)個月前，IBM在《Nature》雜(za)志(zhi)上發表(biao)論(lun)文，稱量子計算(suan)技(ji)術已(yi)經迎來重大突破，解(jie)決了(le)領(ling)先超級計算(suan)機(ji)無法(fa)以近(jin)似(si)方法(fa)解(jie)決的復雜(za)問題。
這一成就有(you)望幫助(zhu)跨(kua)學(xue)科(ke)科(ke)學(xue)家(jia)們以(yi)量子(zi)(zi)計算系統為(wei)工(gong)具，逐步攻克化學(xue)、材料科(ke)學(xue)、AI等領域(yu)的棘手(shou)難題。關于落(luo)地節(jie)點，IBM表示，最快(kuai)兩年之內，量子(zi)(zi)計算機就能(neng)投入(ru)實際應用。
谷歌布局同樣較早。2013年，他們與NASA共同預訂了(le)一臺(tai)512量子位(wei)的D-Wave Two量子計算機。該計算機并非通用型，而是(shi)專(zhuan)為“量子退火”設(she)計。
2019年10月(yue)，谷歌(ge)官宣實現“量子優越性”，聲稱(cheng)其“懸鈴木(mu)”(Sycamore)量子計算(suan)機性能超(chao)越了傳統計算(suan)機。
有意思(si)的是(shi)，IBM隔日便投書稱(cheng)，該計算機是(shi)宣傳性(xing)嘩(hua)眾取寵產(chan)品，運作方式(shi)依然沒有超出目前量子科技范圍。IBM還稱(cheng)，谷歌的成(cheng)果只是(shi)特定條件(jian)特定問(wen)題(ti)(ti)下的一種實(shi)驗(yan)問(wen)題(ti)(ti)結果，而傳統計算機只要更換(huan)算法就(jiu)能達到(dao)同樣效果，成(cheng)本還更低(di)、正確率更高。
不過，就在(zai)不久(jiu)前，谷(gu)歌宣布進(jin)一步升(sheng)級了 Sycamore 處理器(qi)，該(gai)產品是谷(gu)歌于2019年發布的(de)量子處理器(qi)，在(zai)最新發布中(zhong)，谷(gu)歌號稱——其(qi)已達到(dao) 70 個量子位，其(qi)可(ke)以在(zai)幾秒(miao)內完(wan)成目前最好的(de)超算(suan)需要(yao)47年才(cai)能完(wan)成的(de)計(ji)算(suan)。
谷歌研究人員在 ArXiv 平臺上發布的一篇預印本論文稱，該公司的最新技術已經“超越了現有經典超級計算機的能力”。
英(ying)特爾在量子計(ji)算也有涉足。
在(zai)CES2018，他(ta)們發布(bu)了49-qubit量子芯(xin)片。公司CEO Brain Krzanich稱其為量子計算領域的重(zhong)大突破(po)，下(xia)一(yi)步(bu)目標“量子優勢(shi)”。
今(jin)年(nian)6月，英特(te)爾發(fa)布包含(han)12個(ge)硅(gui)(gui)自旋量子(zi)比(bi)特(te)(silicon spin qubit)的(de)全新量子(zi)芯片Tunnel Falls，號稱英特(te)爾迄今(jin)為(wei)止(zhi)研發(fa)的(de)最先進的(de)硅(gui)(gui)自旋量子(zi)比(bi)特(te)芯片。
國內量子計算領域也(ye)近些年進展頻頻。
2020年12月，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。這一突破使我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優越性(Quantum Supremacy)。
企(qi)業(ye)(ye)布局方面，百度(du)、騰訊、阿里(li)、華為等大(da)廠均沒有錯(cuo)過風口之外，還涌現了大(da)批創業(ye)(ye)企(qi)業(ye)(ye)。
本源量子
成立于2017年9月的本源量(liang)子，專(zhuan)注于將(jiang)量(liang)子計算推向商用領(ling)(ling)域，由(you)兩位(wei)中國量(liang)子計算行業領(ling)(ling)軍人物(wu)——中科(ke)院院士郭光燦和中科(ke)大教授郭國平，帶領(ling)(ling)中科(ke)院量(liang)子信息重點(dian)實驗(yan)室博士團隊創立。
公開資(zi)料顯示，截至目前，本源量(liang)子已(yi)經創造了(le)多個“第一(yi)”——
首(shou)(shou)款國(guo)產量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算機(ji)控制(zhi)系統、國(guo)內(nei)(nei)首(shou)(shou)個(ge)自主研發的(de)可交付使用的(de)超(chao)導(dao)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算機(ji)“本源(yuan)悟源(yuan)”、國(guo)內(nei)(nei)首(shou)(shou)個(ge)基于真實量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算機(ji)的(de)超(chao)導(dao)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算云平臺(tai)、國(guo)內(nei)(nei)首(shou)(shou)款量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算機(ji)操作系統“本源(yuan)司(si)南”、國(guo)內(nei)(nei)首(shou)(shou)個(ge)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)芯片設計(ji)(ji)工(gong)業軟件“本源(yuan)坤元”等。
玻色量子
成立于(yu)2020年11月的玻(bo)色量子在(zai)北京，是一家研發光量子計算設備(bei)的硬科(ke)技公(gong)司，核心成員來自斯坦(tan)福、清華、中科(ke)院等院校，且具(ju)備(bei)多(duo)年光量子信息研究經驗。
在技(ji)術架(jia)構方面，玻色量子(zi)采用(yong)的方案既(ji)不同于Google、IBM等企業(ye)著(zhu)力研發的通(tong)用(yong)量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)架(jia)構，也不同于以D-Wave公司為(wei)代表的專用(yong)量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)架(jia)構，而(er)是經典(dian)計(ji)(ji)算(suan)機+量子(zi)AI的混合(he)計(ji)(ji)算(suan)架(jia)構。
目前，玻色量(liang)(liang)子已經(jing)自主研發了光(guang)量(liang)(liang)子計(ji)算專用光(guang)纖恒溫控制設備“量(liang)(liang)晷”和光(guang)量(liang)(liang)子測控一體機 “量(liang)(liang)樞”，并基于自研的異構光(guang)路體系架構，研制出第一代光(guang)量(liang)(liang)子計(ji)算機硬件產品。在2022年底，玻色量(liang)(liang)子完成100計(ji)算量(liang)(liang)子比特(te)相(xiang)干光(guang)量(liang)(liang)子計(ji)算機原(yuan)型機搭建。
圖注(zhu)：“量晷”與“量樞”
弧光量子
弧(hu)光量(liang)(liang)子(zi)(zi)成立于2020年，核(he)(he)心(xin)團(tuan)隊來自(zi)中國科學院軟(ruan)件研(yan)究所，核(he)(he)心(xin)業務包括量(liang)(liang)子(zi)(zi)軟(ruan)件產(chan)品(pin)及量(liang)(liang)子(zi)(zi)計算技術(shu)服(fu)務，產(chan)研(yan)范圍覆蓋量(liang)(liang)子(zi)(zi)EDA、量(liang)(liang)子(zi)(zi)程序開發(fa)平臺、量(liang)(liang)子(zi)(zi)機器學習平臺、量(liang)(liang)子(zi)(zi)測控系統、量(liang)(liang)子(zi)(zi)應(ying)用(yong)等前沿(yan)技術(shu)領域。
此(ci)前(qian)，其技(ji)術團隊(dui)研發了(le)國(guo)內首個量(liang)子(zi)程序設(she)計與驗證平臺“isQ”。isQ集量(liang)子(zi)程序設(she)計、編譯、驗證、模擬等(deng)(deng)功能于一(yi)體，為未(wei)來國(guo)產量(liang)子(zi)軟件發展及國(guo)產軟硬結合等(deng)(deng)項目(mu)打下了(le)堅實的(de)基礎。
其中的定理(li)證(zheng)明(ming)器是(shi)國際上首個量子(zi)程序定理(li)證(zheng)明(ming)器，對量子(zi)程序的正確性驗證(zheng)有十分重要的作用。
華翊量子
華(hua)翊量(liang)子成立于2022年1月，是國(guo)內首家(jia)專(zhuan)注于離子阱量(liang)子計算技術路線的企業，創始(shi)團(tuan)隊來自(zi)清華(hua)大學(xue)量(liang)子信(xin)息中心(xin)。公司(si)創始(shi)人及(ji)首席科學(xue)家(jia)為國(guo)際著(zhu)名(ming)量(liang)子信(xin)息專(zhuan)家(jia)、清華(hua)大學(xue)量(liang)子信(xin)息中心(xin)主任段路明教(jiao)授。
今(jin)年5月，華(hua)翊量(liang)子正式(shi)發布離子阱量(liang)子計算第一代(dai)商業化原型機(ji)HYQ-A37，可提供多達37個量(liang)子比特的(de)量(liang)子計算能(neng)力(li)。HYQ-A37的(de)部分性能(neng)指標已達到世(shi)界(jie)領先水平(ping)，綜合(he)來看與目前世(shi)界(jie)上先進的(de)離子阱量(liang)子計算機(ji)性能(neng)相當。
圖(tu)源：高榕資本
啟科量子
據介紹，啟科量子(zi)一家兼具(ju)量子(zi)計算、量子(zi)通(tong)信核心技術儲(chu)備與產品研發能力的企業(ye)。
公開資料顯示，該公司一方面專(zhuan)注離子(zi)阱(jing)(jing)(jing)量(liang)子(zi)計算機(ji)軟硬件的全棧式(shi)開發，在國內(nei)率先發布了(le)首(shou)臺離子(zi)阱(jing)(jing)(jing)量(liang)子(zi)計算工(gong)程機(ji)“天算1號”，并推(tui)出了(le)可用于線下的物(wu)理教(jiao)學、公眾的科(ke)普教(jiao)育的模擬離子(zi)阱(jing)(jing)(jing)量(liang)子(zi)教(jiao)學系統。
在2022年自主研發了一套完整的量(liang)子(zi)軟件(jian)體系，包括量(liang)子(zi)混合云基礎(chu)架構層、量(liang)子(zi)編程(cheng)框架層和量(liang)子(zi)應用層，現已與國內(nei)金(jin)融、生化藥物研發、信息安全等(deng)領域的頭部企業建立了合作關系。
另一方面，在量(liang)(liang)子通信領(ling)域，啟科(ke)量(liang)(liang)子可向用(yong)戶提(ti)供包括量(liang)(liang)子保密通信終(zhong)端(QKD)、量(liang)(liang)子隨機數(QRNG)、密鑰管理、網絡交換(huan)/路由(you)、量(liang)(liang)子服務器、量(liang)(liang)子網關、移動加(jia)密設(she)備、核(he)心組(zu)件等(deng)20余(yu)項(xiang)產品(pin)及(ji)解決方案，與通信、云計算、基礎設(she)施建設(she)、能源、信息安(an)全、金融等(deng)領(ling)域用(yong)戶開(kai)展(zhan)合作，構筑信息安(an)全防線。
寫在最后
值得一提的是，運營商近(jin)些年也(ye)染指了量子計(ji)算(suan)領域(yu)。
這當中(zhong)，移動(dong)可謂頻頻出手，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)對華(hua)翊量(liang)子(zi)、玻色量(liang)子(zi)的(de)戰投，同(tong)北郵在量(liang)子(zi)算法方(fang)面的(de)合(he)作(zuo)，還有與本源量(liang)子(zi)、啟科量(liang)子(zi)的(de)產業合(he)作(zuo)等(deng)等(deng)。
移動之外，其(qi)他運營商也有布局(ju)。比如聯通：
再比如電信：
事實(shi)上，從去年就(jiu)有(you)相關研究機構認(ren)為，量子計算(suan)落地(di)只差臨(lin)門一腳。
這當中，一方(fang)面(mian)是核(he)心硬件相關研(yan)究頻出，轉化落(luo)地(di)奇點已現。另一方(fang)面(mian)，相關科研(yan)、基(ji)礎設(she)施(shi)、應用(yong)開發及生(sheng)態也日趨完善。
或許人人用上量子計算機的那(nei)一(yi)天還早，但是——
量子計算能力飛入尋常百姓家已經離我們不遠。
