遇事不決真的可以量子力學(xué)了：量子計(jì)算機(jī)上云，手機(jī)APP就能玩
魚羊 夢(mèng)晨 發(fā)自 凹非寺量子位 | 公眾號(hào) QbitAI
咱也是沒想到，才2022年，我竟然就在手機(jī)上用起量子計(jì)算機(jī)來了。
從各大應(yīng)用商店或者官網(wǎng)，都可以下載到一個(gè)名叫量易伏的APP，打開后就見物理學(xué)四大神獸之一——薛定諤的貓坐鎮(zhèn)其中。
還不是只有個(gè)樣子，戳進(jìn)“量子作曲家”（QComposer）功能界面，量子電路實(shí)驗(yàn)立馬就能搞起來。
這還等什么，我當(dāng)場(chǎng)Pick來自中科院物理所的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，跑起了量子疊加實(shí)驗(yàn)。
對(duì)，你沒看錯(cuò)，不是純模擬，這個(gè)APP是真能連接到實(shí)體量子計(jì)算機(jī)。
可供選擇的還不僅有超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，中科院精密測(cè)量院的離子阱量子計(jì)算機(jī)亦在其列，還可以看到它們現(xiàn)在的服務(wù)狀態(tài)。
并且就在其中，我們還發(fā)現(xiàn)了來自中國(guó)產(chǎn)業(yè)界的最新量子計(jì)算研究進(jìn)展——
被標(biāo)注為“超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)”的那臺(tái)設(shè)備，并非來自哪家高校、研究院，而正是來自這款A(yù)PP的研發(fā)方，百度量子計(jì)算研究所。
就在今天的百度“量見未來”量子開發(fā)者大會(huì)上，這臺(tái)名為“乾始”的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)正式亮相，并且不止硬件，還帶來了全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體解決方案“量羲”。
不錯(cuò)，這么一個(gè)能讓你在手機(jī)里玩轉(zhuǎn)量子計(jì)算，甚至用上真機(jī)的APP，正是百度在量子計(jì)算領(lǐng)域公布的最新成果之一。
實(shí)際上，手機(jī)端還只是展示了可視化量子電路實(shí)驗(yàn)的功能，在網(wǎng)頁(yè)版本中，你還可以更多前端工具，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算算法的開發(fā)：
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QComposer，提供可視化的量子電路實(shí)驗(yàn)方式
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PyOnline和YunIDE都是在網(wǎng)頁(yè)上即開即用的在線開發(fā)環(huán)境，其中YunIDE基于code-server開發(fā)
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QCompute是開源的Python工具包
在其背后，正如前文所言，除了7個(gè)不同能力的25-63量子比特的在線模擬器，這個(gè)平臺(tái)還連接了1臺(tái)來自中科院物理所的10比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，來自中科院精密測(cè)量院的1比特離子阱量子計(jì)算機(jī)，以及1臺(tái)百度超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”。
這么一說，你可能也就明白了，是不是有點(diǎn)租用云上GPU搞機(jī)器學(xué)習(xí)那味兒了？
我們順著量易伏這么一扇窗口一扒，還真發(fā)現(xiàn)，從底層硬件到上層應(yīng)用，百度竟已悄悄搞起了一整套量子計(jì)算“產(chǎn)業(yè)化”解決方案。
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”
不妨還是從“乾始”這臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)說起。
“量子計(jì)算機(jī)”通常是指由量子芯片、稀釋制冷機(jī)、脈沖發(fā)生器組成的硬件平臺(tái)。
其中最關(guān)鍵的，自然是量子芯片。
乾始搭載的是一顆來自合作者的10量子比特超導(dǎo)量子芯片。
瞄準(zhǔn)實(shí)用化、標(biāo)準(zhǔn)化、高性能化的目標(biāo)，百度聚焦于設(shè)計(jì)具有業(yè)界核心競(jìng)爭(zhēng)力的超導(dǎo)量子芯片，提供芯片設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、版圖繪制為一體的實(shí)用化量子芯片解決方案。
在啟發(fā)式版圖設(shè)計(jì)方案、新型器件構(gòu)型設(shè)計(jì)、器件參數(shù)快速初始化、精準(zhǔn)仿真/驗(yàn)證方法、品質(zhì)因子設(shè)計(jì)方法、自動(dòng)化布線等超導(dǎo)量子芯片設(shè)計(jì)技術(shù)上積累發(fā)明專利 25 余項(xiàng)。
作為落地實(shí)踐案例，還完成了一款36比特含耦合器超導(dǎo)量子芯片的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。
值得注意的是，與通常概念中的計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的“操作系統(tǒng)”，相當(dāng)于是“裸機(jī)”。
但此番百度推出的乾始，卻是自帶了一連串量子應(yīng)用、量子軟件。
量子軟硬件接口“量脈”
首先，是打通硬件層與軟件層的接口量脈。
量脈還提供了可視化的一站式客戶端、自動(dòng)化軟件包等功能，只要提前輸入量子芯片結(jié)構(gòu)等基本信息，量脈就可以自動(dòng)初始化量子芯片，大幅降低“乾始”的量子硬件平臺(tái)的運(yùn)行維護(hù)成本。
量子操作系統(tǒng)“量易伏”
搭好了溝通硬件與軟件的橋梁，再往上，為了讓研究人員們能更便捷地把量子算力用起來，就需要一套操作系統(tǒng)來負(fù)責(zé)量子算力的調(diào)度和分配。
而我們剛才試玩過的量易伏，其實(shí)扮演的就是量子計(jì)算機(jī)中“Windows系統(tǒng)”的角色，而且它還是一個(gè)兼有云功能的量子計(jì)算平臺(tái)。
量易伏是全球首個(gè)云原生量子計(jì)算平臺(tái)。
一方面，面向前端提供便捷的設(shè)計(jì)開發(fā)工具，包括移動(dòng)端、桌面端、云端等多前端使用模式，以及量子計(jì)算解決方案工具集QAPP、量子網(wǎng)絡(luò)工具集QNET、量子噪聲處理工具集QEP等豐富的插件拓展。
另一方面，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、離子阱量子計(jì)算機(jī)等多后端算力接入與調(diào)配。
量子機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)“量槳”
最后，在操作系統(tǒng)之上，百度重點(diǎn)關(guān)注的是如何讓我們的量子算力，賦能產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)高潛應(yīng)用，為此還為量子人工智能、化工醫(yī)藥、智能制造、量子網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用方向開發(fā)了相應(yīng)的研發(fā)平臺(tái)與工具集。
比如基于飛槳開發(fā)的全球首個(gè)云量一體的量子機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)量槳，就支持量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建與訓(xùn)練，并提供了易用的量子機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)套件與量子優(yōu)化、量子化學(xué)等前沿量子應(yīng)用工具集、以及40多項(xiàng)豐富的量子應(yīng)用教程。
特別的，量槳可以通過連接量易伏，進(jìn)行調(diào)用量子算力運(yùn)行量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)量子應(yīng)用的具體實(shí)踐。
簡(jiǎn)單總結(jié)一下，就是說百度不僅在硬件層面上搞出了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，還在軟件層面上搭建出了一整套“基礎(chǔ)設(shè)施”，讓量子算力能走出實(shí)驗(yàn)室，開箱即用。
如此，也就構(gòu)成了全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬件一體化解決方案量羲。
全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬件一體化解決方案“量羲”
“量羲”提供私有化部署、云服務(wù)、硬件接入等一系列服務(wù)，最大程度上簡(jiǎn)化了從產(chǎn)業(yè)量子化咨詢?nèi)腴T到量子服務(wù)部署的全流程。
“量羲”還有很強(qiáng)的兼容性，可實(shí)現(xiàn)量子芯片“即插即用”， 將量子芯片快速轉(zhuǎn)換為量子服務(wù)即戰(zhàn)力。
“量羲”可以給各行各業(yè)提供定制化的量子云服務(wù)或者私有化部署，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)量子化的升級(jí)。與此同時(shí)，基于“量羲”，量子硬件生產(chǎn)廠商從此可以專注于量子硬件設(shè)計(jì)提高硬件性能，無(wú)需擔(dān)心自己的硬件設(shè)備如何才能為用戶提供量子計(jì)算服務(wù)。
不過值得注意的是，量子計(jì)算之所以受到關(guān)注，是因其在理論上，能解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的復(fù)雜問題。或者更直觀地說，能給很多行業(yè)帶來顛覆性的改變。
這其中，就涉及到量子優(yōu)越性的問題。學(xué)界普遍認(rèn)為，量子芯片超過50個(gè)量子比特之后，才能實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。
如此看來，百度的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)乾始尚未實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，反而是先在軟件層上不斷發(fā)力。
為何如此？
因?yàn)槟壳傲孔佑?jì)算的發(fā)展，已逐漸分化出兩條路線。
第一條路線，用科研的方式做單點(diǎn)突破，在特定任務(wù)上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
代表性的成果有2019年谷歌的“懸鈴木”（Sycamore），用200秒解決當(dāng)時(shí)最快的超算需要2天解決的玻色采樣任務(wù)，在全球首次實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。
一年后，中科院潘建偉團(tuán)隊(duì)研制的“九章”光量子計(jì)算機(jī)，在同一問題上做到比懸鈴木快上幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
不久后中科院又推出超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之號(hào)”，并于去年分別升級(jí)成“九章二號(hào)”、“祖沖之二號(hào)”，再加上IBM、霍尼韋爾旗下Quantinuum等參與者，呈現(xiàn)你爭(zhēng)我趕的狀態(tài)。
這條路線的優(yōu)點(diǎn)是目標(biāo)方向明確、資源投入集中，能迅速推動(dòng)著量子計(jì)算機(jī)的理論性能不斷增強(qiáng)。
△九章二號(hào)重要部件，圖源中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
但量子計(jì)算不能總停留在實(shí)驗(yàn)室，畢竟人們開發(fā)它最終目標(biāo)還是要去解決現(xiàn)實(shí)問題。
量子優(yōu)越性概念的提出者John Preskill近期在與同行的交流中也表達(dá)了對(duì)這方面的擔(dān)憂。
第二條路線，正是著重于量子計(jì)算與實(shí)際問題的結(jié)合：
先做產(chǎn)業(yè)化的量子計(jì)算，以實(shí)際應(yīng)用需求反過來推動(dòng)綜合性的技術(shù)進(jìn)步。
這條路短期不容易出成果，走的人也就更少，不過長(zhǎng)遠(yuǎn)來看很有必要。
目前，國(guó)際公認(rèn)的量子計(jì)算有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：
第一，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。
第二，制造各領(lǐng)域?qū)Ｓ玫牧孔幽M機(jī)。
第三，制造可編程通用量子計(jì)算機(jī)。
第三階段的通用量子計(jì)算不能是“空中樓閣”，需要來自第二階段大量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。
具體來說，需要掌握多量子體系的精準(zhǔn)制備、提高量子比特的操縱精度，還要與各行各業(yè)現(xiàn)有研發(fā)和生產(chǎn)體系深入融合。
這樣來看，光靠量子計(jì)算行業(yè)自己是無(wú)法完成這些積累的。讓各行各業(yè)的人先把量子計(jì)算用起來、不斷反饋迭代就成了必不可少的環(huán)節(jié)。
最后要說的是，單點(diǎn)突破和產(chǎn)業(yè)化這兩條路線并不是互斥的，而是互補(bǔ)的，都需要有人去探索。
將來，一方研制出高性能的量子計(jì)算機(jī)，可以借助另一方的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)快速落地應(yīng)用，共同將量子計(jì)算的強(qiáng)大能力發(fā)揮出來。
至于量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化這條路到底該怎么走，各國(guó)各方其實(shí)都還在探索階段。
率先拿出成果的百度，或許可以拿來作為參考。
首先要做到的，軟硬一體。也就是打通量子計(jì)算應(yīng)用或者服務(wù)、量子軟件平臺(tái)、量子硬件平臺(tái)的全流程。
這一點(diǎn)可以拿個(gè)人計(jì)算機(jī)的歷史來類比。最初廠商只提供硬件，普通大眾難以上手，當(dāng)操作系統(tǒng)和配套應(yīng)用軟件都成熟以后個(gè)人計(jì)算機(jī)才迅速普及。
接下來要做到的，全平臺(tái)支持。將量子計(jì)算平臺(tái)打造成一個(gè)中間層，讓軟硬件供應(yīng)方不用擔(dān)心相互怎么兼容，專心做出更好的產(chǎn)品。
具體到百度量羲來說，一個(gè)平臺(tái)兼容了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、離子阱量子計(jì)算機(jī)以及量子模擬器等多種算力，同時(shí)支持手機(jī)端、電腦端、云開發(fā)等多種使用方式。
同樣不可忽視的，堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新與自主可控。
百度在量子架構(gòu)、量子算法、量子糾錯(cuò)、量子芯片、量子測(cè)控等核心方向已完成 200 余項(xiàng)發(fā)明專利申請(qǐng)并有80余項(xiàng)獲得授權(quán)。在量子計(jì)算全球高價(jià)值專利及創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力排名中位列國(guó)內(nèi)第一、國(guó)際第三。
一方面完整自研技術(shù)體系更容易產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，另一方面在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中也能不受制于人。
據(jù)了解，建成量子軟硬一體化解決方案的過程中，百度遇到的困難也有不少。
其中涉及成千上萬(wàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)又環(huán)環(huán)相扣，任何一處小的失敗都會(huì)讓整體功虧一簣。
比方說，要制造量子計(jì)算機(jī)，就需要在接近絕對(duì)零度的環(huán)境產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。
在嚴(yán)苛的環(huán)境下想要對(duì)量子比特的精準(zhǔn)操控，還需要反復(fù)的計(jì)算和嘗試以找到最佳參數(shù)。
量子計(jì)算機(jī)無(wú)法理解普通計(jì)算機(jī)的處理器指令，想開發(fā)量子算法，就要先將人類可以理解的程序語(yǔ)言編譯成量子計(jì)算機(jī)機(jī)器可以理解的微波脈沖。
開發(fā)出量子算法還不算完，還需要將這些算法恰到好處的應(yīng)用在其能發(fā)揮作用的問題上，以此實(shí)現(xiàn)量子算力到生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。
百度克服這重重困難，做成全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體化解決方案，也把其中得到的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成三條。
長(zhǎng)期布局，百度于2018年布局量子計(jì)算，在國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃與政策支持下，將發(fā)展戰(zhàn)略定位QIAN（量子研究、基礎(chǔ)設(shè)施、前瞻應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)生態(tài)），進(jìn)而催生了量子軟硬一體化解決方案。
產(chǎn)業(yè)化思維，一方面是延續(xù)了百度在AI、云計(jì)算行業(yè)堅(jiān)持做產(chǎn)業(yè)化的思路，另一方面百度飛槳加速了量子應(yīng)用研發(fā)的步伐、百度智能云又讓量子算力能夠穩(wěn)定輸出。
人才和生態(tài)建設(shè)，歷經(jīng)四年多的量子計(jì)算人才梯隊(duì)建設(shè)，以及與科研院所的深度合作，都是不可或缺的。
另外要說的是，探索量子軟硬一體化解決方案的意義不僅在單個(gè)方案自身，更在于將整個(gè)流程標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、產(chǎn)業(yè)化，為即將到來的通用量子計(jì)算階段做好了準(zhǔn)備。
那么，問題來了：
量子計(jì)算是否已經(jīng)到了產(chǎn)業(yè)化階段？
站在今天這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，我們或許仍無(wú)法給出標(biāo)準(zhǔn)答案。
但以史鑒今，作為國(guó)內(nèi)工業(yè)界的技術(shù)先鋒，百度在過去每一次硬科技浪潮前夜，確實(shí)都曾做出春江水暖的決定：
2010年，率先成立AI自然語(yǔ)言方向的NLP部門。
2012年底，組建深度學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)IDL。
2015年，開啟自動(dòng)駕駛商業(yè)化探索。
2016年，推出國(guó)產(chǎn)深度學(xué)習(xí)框架飛槳PaddlePaddle。
……
所以百度此番落子，說是初步探索也好，說是開辟新路也罷，背后真正值得關(guān)注的，是量子計(jì)算正在從實(shí)驗(yàn)室走出，從最高精尖的攀登，走向面向更多人的應(yīng)用探索。
而其商業(yè)化、創(chuàng)業(yè)的探索序幕，或許也已經(jīng)拉開一角，真正如量子計(jì)算大咖們類比的那樣：已經(jīng)到了最后一公里。
本文來自微信公眾號(hào)“量子位”（ID:QbitAI），36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
