電子發燒友網報道（文/黃山明）說起量子力學，與相對論同樣為20世紀初所誕生的新興學科，并且人類過去一百年來的技術進步，基本依賴于消化量子力學。當然方式比較單一，通常是由量子力學到新材料，再由新材料到各類應用技術，比如半導體材料導致的計算機誕生。

而量子計算則是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，它與現有計算模式完全不同。就在8月25日，百度正式發布了集量子硬件、軟件平臺、量子應用的產業級超導量子計算機“乾始”，并據此形成了全球首個全平臺量子軟硬一體化解決方案“量羲”。實現了量子芯片到量子應用的轉化，從而讓量子從實驗室走向產業化。

為什么要發展量子計算

盡管對于大多數人而言，量子技術距離普通人生活過于遙遠，但相關技術已經對人們的生活影響深遠。比如芯片的發明與量子技術密切相關，芯片中主要依賴晶體管搭建而成，而一顆芯片中往往包含上百億晶體管，在如此小的空間內集成如此多的晶體管，已經無法用經典物理學來解釋現象了。

此外，包括材料學、化學、固體物理、核物理的理論基礎都來自量子力學，現代科學的核心科技，大半都與材料有關，可見量子力學對現代科學的貢獻之大。

但除此之外，量子理論卻很少被直接應用，否則根據量子力學的原理，瞬移、分身、穿墻等神奇操作都能實現。

另一方面，在理論物理上，人類已經停滯了許久，劍橋大學物理學家尼爾·圖羅克表示，從1970年以后，所有的物理理論工作都還沒有產生一個成功的語言。即便是上帝粒子與引力波的驗證，也都是上個世紀的理論了。

因此，想要繼續發掘自然規律，要么去深度研究相對論，要么去從量子力學中尋找新的機會，即通過非材料的方式來開發量子力學，如今的量子計算是其中的一種。

顯然，從選擇來看，第二條路會更靠譜。如今百度“乾始”產業超導量子計算機的發布，便是量子力學新應用的佐證。此外，還有如量子顯微鏡、量子通信等，都證明當前科學界向著量子力學的第二條道路發起沖擊。

所謂量子計算機，便是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運行量子算法與量子軟件的新型計算設備。在處理某些特定問題上相對經典計算機有指數級別的運算優勢，如密碼分析、氣象預報、藥物設計、石油勘探等大規模計算難題提供解決方案。

據百度首席技術官王海峰透露，經典計算機算力與芯片的集成度成正比，增加一倍算力，就需要增加一倍的集成度，而集成度每18個月增加一倍，這便是經典的摩爾定律。

而量子計算機的算力，隨著量子比特的增長呈現指數級增加，每增加一個量子比特，算力便增加一倍?；蛟S在幾十個量子比特時，算力優勢不明顯，但隨著量子比特增加至上百、上千乃至上萬個，其優勢將非常突出。

量子計算機的優勢

據相關數據統計，量子計算產業化正進入爆發式增長階段。IDC報告預計，全球量子計算市場將從2020年的4.12億美元增長到2027年的86億美元，6年復合年增長率超過50%。百度量子研究所所長段潤堯表示，2031年量子計算產業規模預計達到8000億元，69%的全球大型企業計算將采用量子計算，百度也在為此做準備。

世界各國和各大高科技公司圍繞量子科技進行緊密布局。2018年，歐盟投入10億歐元實施量子旗艦計劃。2018年，美國通過《國家量子倡議法案》旨在確保美國在量子信息及其應用方面的持續領導地位，提出《無盡前沿法案》計劃投資1000億美元在量子計算等10個領域。

此外，諸如谷歌、IBM、微軟等美國公司都在加快研發與布局量子計算平臺。國內如百度、阿里巴巴、騰訊、華為等都在量子計算方面進行了布局。2019年谷歌在超導量子芯片上實現了量子霸權，2021年中科大在超導和光量子兩種平臺上也實現了量子優越性，這一系列成果展示了量子計算的巨大潛力。

百度量子自2018年3月成立以來，致力于打造全球領先的百度量子平臺，先后發布了國內首個云上量子脈沖系統“量脈”，全球首個云量一體的量子機器學習平臺“量槳”，全球首個云原生量子計算平臺“量易伏”，集教材、視頻、課程和編程一體化的量子學習知識庫“量易簡”。



聚焦以QIAN命名的戰略發展方向，即量子基礎研究突破（Quantum），量子基礎設施建設（Infrastructure），量子應用研發落地（Applications），量子生態網絡構建（Network），全力打造量子軟硬一體化解決方案，加速量子計算產業化進程。

據官方資料顯示，此次發布的量子計算機“乾始”平均T1時間長度31.0μs，平均T2時間長度8.7μs。在軟件平臺方面，“乾始”可以通過云服務獲取強大量子算力，提供人人皆可量子的產業級量子計算即服務。

我們都知道，經典計算機主要是通過0與1進行數據處理，這意味著需要將所有的操作指令，都轉化成長串的0與1的二進制，即便如今計算機處理器浮點運算速度已經達到每秒超萬億次，但實際上可能干不了太多事情。

而量子計算機則是量子疊加態的直接使用，也就是可以將多組數據疊在一起，同時運算，這被稱為并行計算。而一個量子態可以同時包含2個信息，比如在量子世界中，一只量子貓在沒有被觀測的情況下，可以既是白貓，又是黑貓，只有觀測以后才會確定其真正的顏色。

這也意味著，兩個量子態就可以包含4個信息，3個量子態便是8個信息，以此呈現指數增長。要知道普通的64位處理器一次只能塞入64個信息，而10個量子態一次便可以塞入1024個信息。

以此來推算，當擁有50個量子態時，計算性能將達到目前頂級超算的水平，如果將量子態數量擴大到100個，將達到全世界計算能力總和的100萬倍，這便是量子計算機的巨大優勢。

量子計算是個長期工程

當前量子計算屬于一個高門檻、高投入、高風險、高回報的行業，并且量子技術是跨系統的工程，因此量子計算仍然存在極大的挑戰，全鏈條技術環環相扣，科學和工程挑戰巨大。段潤堯提到，量子計算比如在芯片設計、硬件平臺、軟硬接口、噪聲處理、操作系統、云平臺、應用平臺、應用算法、量子幅度等方面，都存在著不小的挑戰。

在量子處理器上，目前百度10量子比特芯片已上線，36量子比特芯片已完成設計，將投入流片。段潤堯表示，希望與硬件團隊進行進一步合作，將量子芯片做好。預計將在2028年實現量子比特達10000以上，進行可容錯的量子計算。

應用上，目前主要包括量子模擬、組合優化、量子機器學習等方向，旨在探索分子化學，藥物研發，量化金融，交通規劃，人工智能、和密碼安全等領域潛在的解決方案。比如量子化學上，使用百度超導量子計算機計算氫化鋰分子基態能量，驗證量子計算潛力；圖像分類上，使用百度超導量子計算機對是否有裂縫的建筑墻體圖片進行了分類。與經典算法相比，量子算法在保證分類準確率相同的同時顯著降低了模型參數量，顯現出了構建更復雜模型的潛力。

需要明確的是，量子產業想要做到突破需要各個產業通力合作，創造量子計算的生態環境。中國科學院物理研究所研究員范桁表示，中國在量子計算暫時處于追趕者的狀態，量子計算云平臺市場巨大，比如在IBM上做科研，一年需要10萬元，而其上有20萬用戶，市場想象空間巨大。

北京量子信息科學研究院研究員金貽榮表示，當前在芯片上做200-300個量子比特并不難，難點在于將上面的量子比特耦合起來，還需操控每個獨立的量子比特，同時還要注意量子比特之間的串擾以及頻率擁擠的問題。

目前量子計算仍處于初級發展階段，發展這項技術是一個長期工程，要以建設科技樹，而不是護城河的心態投入進來，相關從業者需要拿出更大的胸懷，更長遠的視角，共同將產業做大。