全國(guo)首例，量子計(ji)算突破!
就在7月10日，中國移動研究(jiu)院與本源量子官宣，成功(gong)實現“基于(yu)通用量子計算機真(zhen)機的算法驗證”，初(chu)步(bu)結(jie)果滿足(zu)預期要求。
目前該條信(xin)息(xi)已在(zai)網上引發(fa)不少(shao)關(guan)注，不過(guo)，也有網友表示——
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。
量子(zi)(zi)計算(suan)機(ji)(Quantum computer)是一種使用(yong)量子(zi)(zi)邏輯進行通用(yong)計算(suan)的(de)設(she)備(bei)。其與傳統計算(suan)機(ji)不同之(zhi)處，在(zai)于量子(zi)(zi)計算(suan)用(yong)來(lai)存儲數據的(de)對象是量子(zi)(zi)比特，靠量子(zi)(zi)算(suan)法來(lai)處理(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(da)型蛋(dan)白(bai)質序(xu)列數據(ju)庫進行分(fen)類任務，經(jing)典的(de)超(chao)級(ji)計(ji)算機可(ke)能會嘗試(shi)用蠻力折疊蛋(dan)白(bai)質，利用眾多處理器檢查各種可(ke)能的(de)化學鏈彎曲方式(shi)，然(ran)后再得出答案。
但隨著(zhu)蛋白質序列變得越來越長(chang)、越來越復雜，超(chao)級(ji)計算機(ji)就(jiu)會停止運(yun)行。一(yi)條由 100 個氨基酸組(zu)(zu)成的(de)鏈，理論上可以(yi)用數萬億(yi)種方(fang)式中的(de)任何一(yi)種方(fang)式折疊。沒有哪臺計算機(ji)所具(ju)有的(de)工作內存足以(yi)處理單(dan)個折疊的(de)所有可能組(zu)(zu)合(he)。
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(liang)子比特的疊加(jia)態可(ke)以表(biao)示更(geng)多信息。來自wiki
落回蛋白(bai)質(zhi)折疊問題(ti)，這種模式(shi)(shi)可能是(shi)——所(suo)需能量最少的折疊組(zu)合，相比之(zhi)下，經典計(ji)算(suan)機無法(fa)創建(jian)這些(xie)計(ji)算(suan)空間，因此它們無法(fa)找到這些(xie)模式(shi)(shi)。
而(er)對于蛋(dan)白(bai)質問(wen)題，目前(qian)已有(you)早期量子算(suan)(suan)法，能以更高(gao)效的(de)新(xin)方式找到(dao)折(zhe)疊模(mo)式，而(er)無需像(xiang)經典計算(suan)(suan)機那樣費力地(di)執行檢查程(cheng)序。
圖(tu)源：IBM
如果還沒理解，不妨再看看郭光燦院士一段論述：
量子(zi)比特(te)(te)可(ke)以制備在兩個邏輯態(tai)0和(he)1的相干疊加(jia)態(tai)，換句話講，它可(ke)以同時存儲(chu)0和(he)1。考慮(lv)一(yi)個N個物理比特(te)(te)的存儲(chu)器，若它是經典存儲(chu)器，則(ze)它只能(neng)存儲(chu)2^N個可(ke)能(neng)數(shu)據當中的任一(yi)個。
若(ruo)它是量子(zi)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)器，則它可以同時存(cun)(cun)儲(chu)(chu)2^N個(ge)數，而且(qie)，隨著N的(de)(de)(de)增加(jia)，其(qi)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)信息的(de)(de)(de)能力將指數上升，例如(ru)，一個(ge)250量子(zi)比特(te)的(de)(de)(de)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)器 (由250個(ge)原子(zi)構成)可能存(cun)(cun)儲(chu)(chu)的(de)(de)(de)數達2^250，比現有已知的(de)(de)(de)宇宙中全(quan)部原子(zi)數目還要多(duo)。
由于數(shu)學操(cao)作可以(yi)同時對存(cun)儲器中全部的(de)數(shu)據進行，因此，量子(zi)計算(suan)機在實施(shi)一次的(de)運算(suan)中可以(yi)同時對2^N個輸入數(shu)進行數(shu)學運算(suan)。
其效果相當于(yu)經典(dian)計(ji)(ji)算機重復實施2^N次操(cao)作，或者采用2^N個不同處理(li)器(qi)實行并行操(cao)作。可(ke)見，量子計(ji)(ji)算機可(ke)以節省(sheng)大量的(de)運算資(zi)源(如時間、記(ji)憶(yi)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(cun)在一個量(liang)級，但量(liang)子計算機整體卻很(hen)大，能塞(sai)滿一整個房間。
圖源：本源量子(zi)
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?
此次發布中，本源量子(zi)軟(ruan)件中心(xin)總監竇猛漢對外(wai)介紹，成果針(zhen)對的(de)是——5G現網中基站大規模天線參數(shu)的(de)優化(hua)問題。
眾所周知(zhi)，5G基站典型特點，是引入大規模天(tian)線(xian)(Massive MIMO)技術，通(tong)過(guo)對大規模的天(tian)線(xian)陣列進行部署，可以在(zai)無(wu)線(xian)信(xin)道(dao)環境允(yun)許條件下，大幅提(ti)高頻(pin)譜效(xiao)率，節約(yue)基站能耗，提(ti)升空間利用(yong)率。
圖源：5gtechnologyworld
這當中(zhong)，大規(gui)模(mo)天(tian)線參數優化調整(zheng)直(zhi)接(jie)關系到(dao)5G體驗，技術門檻也不低。
一方面，對比(bi)(bi)傳統設備(bei)的(de)(de)2天(tian)線(xian)、4天(tian)線(xian)、8天(tian)線(xian)相比(bi)(bi)，采(cai)用大規模天(tian)線(xian)技(ji)術的(de)(de)通道數(shu)可達32或(huo)者(zhe)64，天(tian)線(xian)陣子數(shu)可做到192、512甚至(zhi)更高，其增益大大超越(yue)傳統設備(bei)，相關技(ji)術難度也(ye)提升不少。
另一方面(mian)，是信號覆蓋的(de)維度方面(mian)。之前(qian)天線主(zhu)要(yao)考慮水平(ping)方向的(de)移動，但大規模天線為水平(ping)方向和(he)垂直空(kong)域的(de)移動，信號的(de)輻射(she)呈(cheng)電磁波束。
上述兩方面，再結合城區不(bu)同環境覆蓋(gai)、局部(bu)熱點、郊區覆蓋(gai)與(yu)無線回傳(chuan)等場景，對配置部(bu)署(shu)來說，不(bu)僅需要新應用所(suo)求，更需滿足智能化、低碳化趨勢，優化難(nan)度不(bu)小(xiao)。
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(yu)后續在(zai)通信領域的應(ying)用，中(zhong)國移(yi)動(dong)研究院(yuan)(yuan)(yuan)未(wei)來研究院(yuan)(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)(yuan)長崔春風(feng)在(zai)媒(mei)體采訪中(zhong)表示：
相比5G，6G將面臨(lin)(lin)更大規模業務優(you)化(hua)、更大規模網絡優(you)化(hua)、更大規模信號處理(li)和機(ji)器(qi)學(xue)習(xi)大模型訓練等計算(suan)難(nan)題，經典(dian)計算(suan)與算(suan)法面臨(lin)(lin)著巨大壓力(li)。算(suan)力(li)強(qiang)大正(zheng)是量(liang)子計算(suan)機(ji)的最大特征。當前，全球量(liang)子計算(suan)正(zheng)穩步發展，已經在一些(xie)高算(suan)力(li)需求行業得到試點(dian)性應(ying)用。
“我們想(xiang)嘗試(shi)從一(yi)些典型(xing)場(chang)景中(zhong)的(de)(de)小規模問題入手，來(lai)評估(gu)和驗(yan)證量子(zi)計算(suan)在通(tong)信(xin)網絡，尤其是6G中(zhong)的(de)(de)應用(yong)可(ke)行性。”崔(cui)春風說。
科技巨頭押注量子計算
量子(zi)計算在近些年越(yue)來(lai)越(yue)火，科(ke)技(ji)巨(ju)頭紛(fen)紛(fen)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)研究(jiu)人員就利用(yong)2×2的(de)方(fang)形量(liang)子(zi)比特電路，實(shi)現了同時發現和測量(liang)兩種量(liang)子(zi)誤差，而這是(shi)建造實(shi)用(yong)量(liang)子(zi)計(ji)算機的(de)關鍵(jian)步驟。此(ci)后(hou)，IBM在2016年開始以云計(ji)算服務的(de)形式提供量(liang)子(zi)計(ji)算能力。
2017年底，IBM推出了兩款(kuan)第(di)(di)二代云(yun)端(duan)量子處(chu)(chu)理(li)器，第(di)(di)一款(kuan)擁有16個(ge)量子比特，能夠在云(yun)端(duan)加快(kuai)處(chu)(chu)理(li)速(su)度;第(di)(di)二款(kuan)的處(chu)(chu)理(li)能力較(jiao)第(di)(di)一款(kuan)再增加一倍(bei)，并(bing)已設計為商用模型(xing)。
2019年，IBM在消費電子(zi)展(zhan)(zhan)上(shang)展(zhan)(zhan)示了已開發(fa)的(de)世界首款商業(ye)化(hua)量子(zi)計算機——IBM Q System One。
約一個月前，IBM在《Nature》雜志(zhi)上發(fa)表(biao)論文，稱量子計算技(ji)術已經迎(ying)來重(zhong)大(da)突破，解(jie)決了領先超級(ji)計算機無法以近似(si)方法解(jie)決的復(fu)雜問題。
這一成就有望(wang)幫助跨(kua)學(xue)科(ke)科(ke)學(xue)家們以量(liang)子計算系統為工具(ju)，逐(zhu)步攻克(ke)化學(xue)、材料科(ke)學(xue)、AI等領域的棘手難題(ti)。關于落地節點(dian)，IBM表(biao)示，最快兩年之(zhi)內(nei)，量(liang)子計算機就能(neng)投入實際應用。
谷歌布局同樣較早。2013年(nian)，他們與NASA共同預訂(ding)了一臺(tai)512量(liang)子(zi)位的D-Wave Two量(liang)子(zi)計算機。該計算機并非通(tong)用型(xing)，而是專為“量(liang)子(zi)退火(huo)”設計。
2019年10月，谷歌官宣實現(xian)“量子(zi)優(you)越(yue)性”，聲稱其(qi)“懸鈴木”(Sycamore)量子(zi)計(ji)算(suan)機性能超(chao)越(yue)了傳(chuan)統計(ji)算(suan)機。
有意思(si)的(de)(de)是，IBM隔日便投書稱，該計(ji)算機是宣(xuan)傳性嘩眾取寵產品(pin)，運作方式依然沒有超出目前量子(zi)科技范圍。IBM還稱，谷歌(ge)的(de)(de)成果只是特(te)(te)定條件特(te)(te)定問題(ti)下的(de)(de)一(yi)種實驗(yan)問題(ti)結果，而傳統計(ji)算機只要(yao)更(geng)換算法就能達到(dao)同樣效果，成本還更(geng)低、正確率更(geng)高。
不過，就在不久前(qian)，谷(gu)歌(ge)(ge)宣布(bu)進(jin)一步升級了 Sycamore 處(chu)理(li)器，該產品是谷(gu)歌(ge)(ge)于2019年(nian)發布(bu)的量(liang)子(zi)處(chu)理(li)器，在最新(xin)發布(bu)中，谷(gu)歌(ge)(ge)號稱——其(qi)已達到 70 個(ge)量(liang)子(zi)位(wei)，其(qi)可以在幾秒(miao)內(nei)完(wan)成(cheng)(cheng)目(mu)前(qian)最好的超算需要47年(nian)才能完(wan)成(cheng)(cheng)的計(ji)算。
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”。
英特爾在量子計(ji)算(suan)也有(you)涉足。
在CES2018，他們(men)發布了(le)49-qubit量(liang)子芯片。公(gong)司CEO Brain Krzanich稱(cheng)其為(wei)量(liang)子計算領(ling)域的重大突破，下(xia)一步目標(biao)“量(liang)子優勢”。
今(jin)(jin)年(nian)6月，英特(te)爾發布包含12個硅(gui)自旋量(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)(silicon spin qubit)的(de)全新量(liang)子(zi)(zi)(zi)芯片Tunnel Falls，號稱英特(te)爾迄今(jin)(jin)為止研發的(de)最先進的(de)硅(gui)自旋量(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)芯片。
國內(nei)量子計算(suan)領域也(ye)近些(xie)年進(jin)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)。
企業(ye)布(bu)局方面，百度、騰(teng)訊、阿(a)里(li)、華為(wei)等大廠均(jun)沒有(you)錯過風口之外(wai)，還涌(yong)現(xian)了(le)大批(pi)創業(ye)企業(ye)。
本源量子
成立于(yu)2017年9月的本源量(liang)(liang)子(zi)，專注于(yu)將(jiang)量(liang)(liang)子(zi)計算(suan)推向商用領(ling)域，由(you)兩位中國量(liang)(liang)子(zi)計算(suan)行業領(ling)軍人物——中科(ke)(ke)院院士郭光燦和中科(ke)(ke)大教授(shou)郭國平，帶領(ling)中科(ke)(ke)院量(liang)(liang)子(zi)信息重點實驗(yan)室博(bo)士團隊創立。
公開資料顯示，截至目前，本(ben)源量子(zi)已經創(chuang)造了(le)多個(ge)“第一(yi)”——
首(shou)(shou)款國產量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)控制系(xi)統、國內(nei)(nei)首(shou)(shou)個自主(zhu)研發的(de)(de)(de)可(ke)交付使用的(de)(de)(de)超導量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)“本(ben)源(yuan)悟源(yuan)”、國內(nei)(nei)首(shou)(shou)個基(ji)于(yu)真實量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)的(de)(de)(de)超導量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)云平(ping)臺、國內(nei)(nei)首(shou)(shou)款量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)操作系(xi)統“本(ben)源(yuan)司南”、國內(nei)(nei)首(shou)(shou)個量(liang)子(zi)芯片設計(ji)(ji)工業(ye)軟(ruan)件“本(ben)源(yuan)坤元”等。
玻色量子
成立于2020年11月的(de)玻(bo)色量(liang)子(zi)在北(bei)京，是一家研(yan)發光(guang)量(liang)子(zi)計算設備(bei)的(de)硬科技公司(si)，核心成員(yuan)來自斯(si)坦福、清華、中科院等院校，且具備(bei)多年光(guang)量(liang)子(zi)信息研(yan)究(jiu)經驗。
在技(ji)術架(jia)構(gou)方(fang)面，玻色量子采用的(de)方(fang)案既不同于(yu)Google、IBM等企(qi)業著力研(yan)發的(de)通用量子計算(suan)架(jia)構(gou)，也不同于(yu)以D-Wave公司為代(dai)表的(de)專用量子計算(suan)架(jia)構(gou)，而是經典(dian)計算(suan)機+量子AI的(de)混合計算(suan)架(jia)構(gou)。
目前，玻色(se)量(liang)子(zi)(zi)(zi)已經自(zi)主研(yan)發了光量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)專用(yong)光纖(xian)恒(heng)溫控(kong)制設備“量(liang)晷”和(he)光量(liang)子(zi)(zi)(zi)測控(kong)一(yi)體機(ji) “量(liang)樞”，并(bing)基于自(zi)研(yan)的異(yi)構(gou)光路體系架構(gou)，研(yan)制出第一(yi)代(dai)光量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)機(ji)硬件產(chan)品。在2022年底(di)，玻色(se)量(liang)子(zi)(zi)(zi)完成100計(ji)算(suan)量(liang)子(zi)(zi)(zi)比特相干(gan)光量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)機(ji)原型機(ji)搭建。
圖注：“量晷”與“量樞”
弧光量子
弧(hu)光(guang)量(liang)(liang)子成立于2020年，核(he)心團(tuan)隊來自中(zhong)國科學(xue)院軟件研究(jiu)所，核(he)心業務(wu)包(bao)括(kuo)量(liang)(liang)子軟件產品(pin)及量(liang)(liang)子計算技(ji)術(shu)服務(wu)，產研范圍覆(fu)蓋量(liang)(liang)子EDA、量(liang)(liang)子程序(xu)開發平(ping)臺、量(liang)(liang)子機(ji)器(qi)學(xue)習平(ping)臺、量(liang)(liang)子測(ce)控系統、量(liang)(liang)子應用等(deng)前沿技(ji)術(shu)領域。
此前，其技術團隊研發了(le)國(guo)(guo)(guo)內(nei)首個(ge)量子程(cheng)序(xu)設計與驗證(zheng)平臺(tai)“isQ”。isQ集量子程(cheng)序(xu)設計、編譯(yi)、驗證(zheng)、模擬等(deng)功能于(yu)一體，為未來國(guo)(guo)(guo)產量子軟件發展(zhan)及國(guo)(guo)(guo)產軟硬(ying)結(jie)合等(deng)項目打下了(le)堅實(shi)的(de)基礎。
其中的(de)定理證明器是國際上首個量子程(cheng)序(xu)定理證明器，對量子程(cheng)序(xu)的(de)正(zheng)確性驗證有十分重要的(de)作用。
華翊量子
華(hua)(hua)(hua)翊(yi)量子成立于2022年1月，是國(guo)(guo)內(nei)首(shou)(shou)家專(zhuan)注于離子阱量子計算(suan)技術(shu)路線(xian)的企業，創(chuang)始團隊來(lai)自(zi)清(qing)華(hua)(hua)(hua)大(da)學量子信(xin)(xin)息(xi)中心。公司(si)創(chuang)始人及首(shou)(shou)席科學家為國(guo)(guo)際(ji)著名量子信(xin)(xin)息(xi)專(zhuan)家、清(qing)華(hua)(hua)(hua)大(da)學量子信(xin)(xin)息(xi)中心主任段路明教授。
今(jin)年5月，華翊量(liang)子正式發布離子阱量(liang)子計算(suan)第一代(dai)商業化(hua)原(yuan)型機(ji)HYQ-A37，可提供多達(da)37個量(liang)子比(bi)特的量(liang)子計算(suan)能(neng)力。HYQ-A37的部分性(xing)能(neng)指標(biao)已達(da)到世界(jie)領先水平，綜(zong)合來看與目前世界(jie)上先進的離子阱量(liang)子計算(suan)機(ji)性(xing)能(neng)相(xiang)當。
圖源：高榕資本
啟科量子
據介紹，啟科量(liang)子一家兼具量(liang)子計算、量(liang)子通信核心技(ji)術儲備與產(chan)品研(yan)發能力的企業。
公開資料(liao)顯示，該(gai)公司一(yi)方面專注離(li)子阱(jing)(jing)量(liang)子計算機(ji)軟硬件的(de)(de)全(quan)棧式(shi)開發(fa)，在國內率(lv)先發(fa)布了首臺離(li)子阱(jing)(jing)量(liang)子計算工程機(ji)“天算1號”，并(bing)推出了可用(yong)于線下的(de)(de)物(wu)理教學(xue)、公眾的(de)(de)科普教育的(de)(de)模擬離(li)子阱(jing)(jing)量(liang)子教學(xue)系統(tong)。
在(zai)2022年自主(zhu)研(yan)發了(le)一套完整的量(liang)子(zi)軟件體系，包(bao)括量(liang)子(zi)混(hun)合云基(ji)礎架構層、量(liang)子(zi)編程框架層和量(liang)子(zi)應用層，現已與國內金融、生(sheng)化藥物研(yan)發、信息安全等領域的頭部企業建立了(le)合作關系。
另一方面(mian)，在(zai)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)通信(xin)(xin)領域，啟(qi)科量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)可向用(yong)(yong)戶提供包(bao)括(kuo)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)保(bao)密(mi)通信(xin)(xin)終端(QKD)、量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)隨機數(QRNG)、密(mi)鑰管(guan)理(li)、網(wang)絡交換(huan)/路(lu)由、量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)服務(wu)器、量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)網(wang)關、移動加密(mi)設(she)備(bei)、核(he)心組件等(deng)20余(yu)項產品(pin)及解決方案，與通信(xin)(xin)、云(yun)計算、基礎設(she)施建設(she)、能源(yuan)、信(xin)(xin)息安(an)全(quan)、金融等(deng)領域用(yong)(yong)戶開展合作，構筑信(xin)(xin)息安(an)全(quan)防線(xian)。
寫在最后
值得一(yi)提的(de)是(shi)，運營商近些年也染指了量子(zi)計算領域(yu)。
這當中(zhong)，移動(dong)可(ke)謂(wei)頻(pin)頻(pin)出手，其中(zhong)包括對(dui)華翊量(liang)子、玻色量(liang)子的戰投，同北郵(you)在(zai)量(liang)子算法(fa)方面的合作(zuo)，還有與本源(yuan)量(liang)子、啟科量(liang)子的產業合作(zuo)等(deng)等(deng)。
移動之外(wai)，其他(ta)運營商也(ye)有布局。比如聯通：
再比如電信：
事實(shi)上，從去年就(jiu)有相關研究機構認(ren)為，量(liang)子計算落地(di)只(zhi)差(cha)臨(lin)門一腳。
這當中，一(yi)方(fang)面是核心硬件相關研究頻出，轉化落地(di)奇點(dian)已現。另(ling)一(yi)方(fang)面，相關科研、基(ji)礎設施、應用開發及生(sheng)態也日趨完善。
或許人人用上(shang)量(liang)子計算機的那(nei)一天還早(zao)，但是——
量子計算能力飛入尋常百姓家已經離我們不遠。
