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在過去的一百年里，人類在文明上取得了兩個(gè)偉大的突破，一個(gè)是計(jì)算機(jī)的發(fā)明，另一個(gè)是量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)。兩者都促進(jìn)了人類世界的跨越式進(jìn)步。大約二三十年前，這兩個(gè)偉大的思想發(fā)展了量子信息科學(xué)。其中，量子計(jì)算機(jī)的概念提供了突破當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)物理局限性的可能性，也成為科學(xué)工程中前所未有的挑戰(zhàn)。

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摩爾定律的結(jié)束也是開始

計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代人類文明的象征，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算資源的需求是無窮無盡的。歷史告訴我們，計(jì)算能力的提高使社會(huì)運(yùn)行更有效率，并導(dǎo)致更意想不到的應(yīng)用，使我們的生活豐富多彩。

目前，我們普遍使用的計(jì)算機(jī)工作原理是基于經(jīng)典力學(xué)框架設(shè)計(jì)的，即1是1，0是0；山是山，水是水。在過去的幾十年里，經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片越來越好，計(jì)算能力不斷提高的主要原因是優(yōu)秀的工程師可以縮小芯片中的元件。這樣，不僅增加了可以放置在單位大小內(nèi)的元件，而且減少了電流信號(hào)從一個(gè)元件到另一個(gè)元件的距離，可以加速邏輯操作，減少能耗，殺死許多鳥。這個(gè)套路成就了著名的摩爾定律，描述了工業(yè)生產(chǎn)的芯片密度在過去幾十年左右Sanken代理事實(shí)上，每18個(gè)月翻一番。

然而，當(dāng)摩爾定律提出時(shí)，它也表明了它失敗的日子——因?yàn)槲锢碓�素不能無限縮小。眾所周知，所有的物質(zhì)都是由原子組成的。在原子尺度上，粒子的行為是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的，而不是經(jīng)典力學(xué)，甚至如何定義1和0也成為一個(gè)大問題。

然而，摩爾定律的失敗并不意味著人類不斷追求更強(qiáng)計(jì)算能力的道路就結(jié)束了。借用丘吉爾的名言：現(xiàn)在不是結(jié)束，甚至不是結(jié)束的開始。但也許，現(xiàn)在是開始的結(jié)束。摩爾定律引導(dǎo)人類達(dá)到經(jīng)典世界和量子世界的邊界。跨越過去后，量子計(jì)算將開辟一個(gè)新的世界。

量子力學(xué)讓我們意識(shí)到，在現(xiàn)實(shí)世界中，有許多物理規(guī)律違背了直覺，顛覆了我們對(duì)整個(gè)世界的認(rèn)知。在量子世界中，許多經(jīng)典物理學(xué)中不存在的物理狀態(tài)變得可能。例如，粒子的狀態(tài)可以同時(shí)代表1和0；山不是山，水不是水。量子計(jì)算的核心思想是以量子力學(xué)為框架，開發(fā)更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，讓我們重新理解計(jì)算的意義；看山只是山，看水只是水。

第二次量子革命

憑借量子力學(xué)的框架，人類對(duì)各種物質(zhì)的特性有了更深入的了解，產(chǎn)生了許多先進(jìn)的技術(shù)發(fā)明。例如，激光是通過認(rèn)識(shí)光的量子特性開發(fā)出來的；芯片是通過認(rèn)識(shí)電子的量子特性開發(fā)出來的；核磁共振成像技術(shù)是通過認(rèn)識(shí)磁鐵的量子特性開發(fā)出來的。這些通過研究物質(zhì)量子特性引起的技術(shù)進(jìn)步可以歸類為第一次量子革命。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們對(duì)各種微觀系統(tǒng)的控制能力大大提高；我們不僅可以控制原子的行為，還可以測(cè)量單個(gè)電子產(chǎn)生的電流。這些尖端技術(shù)允許我們反復(fù)驗(yàn)證量子力學(xué)的基本特性，促進(jìn)第二次量子革命。

第二次量子革命的特點(diǎn)是需要從量子力學(xué)的本質(zhì)中發(fā)展新技術(shù)。例如，量子計(jì)算機(jī)是通過量子疊加原理開發(fā)的；量子精密測(cè)量技術(shù)是通過量子糾纏開發(fā)的；量子加密系統(tǒng)是通過量子不可克隆原理開發(fā)的，等等。我們期待著第二次量子革命給人類社會(huì)帶來各種科技突破。

量子計(jì)算的潛力

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)最大的區(qū)別在于，存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的基本單元比特被量子比特所取代。在這里，我們使用量子疊加原理：一個(gè)量子比特可以同時(shí)0和1兩個(gè)邏輯狀態(tài)的線性疊加；兩個(gè)量子比特可以同時(shí)處于00、01、10和114個(gè)邏輯狀態(tài)；多個(gè)量子比特可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。量子算法的核心是如何利用這些量子疊加態(tài)來加速問題的解決。

其中，最著名的量子算法是Shor1994年發(fā)布的大量分解量子算法直接威脅到經(jīng)典計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所依賴的加密系統(tǒng)。雖然我們還沒有開發(fā)出通用量子計(jì)算機(jī)，但是Shor算法的出現(xiàn)引起了許多網(wǎng)絡(luò)安全專家的關(guān)注。如果一些機(jī)構(gòu)或個(gè)人在50年后開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，我們今天通過互聯(lián)網(wǎng)等公共領(lǐng)域發(fā)送的所有加密信息一旦被攔截和存儲(chǔ)，將逐一被破解。因此，量子計(jì)算機(jī)的概念促使網(wǎng)絡(luò)安全專家開發(fā)新的加密方法來對(duì)抗量子攻擊。

近年來，量子計(jì)算研究取得了許多重大突破，促進(jìn)了量子計(jì)算復(fù)雜性的發(fā)展。同時(shí)，量子算法的經(jīng)驗(yàn)也對(duì)經(jīng)典算法產(chǎn)生了影響。目前，許多新的經(jīng)典算法都受到了量子算法研究的啟發(fā)，反映了量子算法研究的總體價(jià)值。

對(duì)于未來，研究人員普遍認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)可以在量子化學(xué)模擬和人工智能領(lǐng)域取得巨大成就。像過去的許多偉大發(fā)明一樣，一旦量子計(jì)算機(jī)成功開發(fā)，我們今天將找到更多意想不到的應(yīng)用程序。

量子計(jì)算機(jī)多路線之爭(zhēng)

事實(shí)上，量子不是像電子中子那樣的基本粒子，量子比特也不是一種稀缺的物質(zhì)。量子力學(xué)中的量子是在微觀世界中描述的，物理系統(tǒng)的能量不是連續(xù)的事實(shí)，這種不連續(xù)性被中文翻譯成量子。因此，原則上，任何量子系統(tǒng)中的兩個(gè)能級(jí)都可以用作量子比特，只要有實(shí)驗(yàn)控制和讀取。

目前，相對(duì)成熟的系統(tǒng)包括：超導(dǎo)量子器件、量子點(diǎn)、囚禁離子、金剛石色心、核磁共振系統(tǒng)和線性光學(xué)系統(tǒng)。不同物理系統(tǒng)的量子比具有不同的特性。過去，量子計(jì)算機(jī)的硬件研發(fā)是按照不同的路線同時(shí)進(jìn)行的。物理系統(tǒng)中開發(fā)的技術(shù)也可以顯示在不同的系統(tǒng)中。未來量子硬件的發(fā)展也可能是混合不同量子系統(tǒng)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體效率，代表著人類科技進(jìn)步的重大挑戰(zhàn)。

量子霸權(quán)時(shí)代

量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該是一臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。然而，理論上我們無法證明量子計(jì)算機(jī)能夠快速解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法有效解決的問題。比如說，Shor雖然量子算法的計(jì)算復(fù)雜性低于任何已知的經(jīng)典算法，但我們并沒有排除等效甚至更快的經(jīng)典算法的存在。一旦找到這樣的經(jīng)典算法，Shor量子算法的影響將大大降低。

另一方面，在各國政府和企業(yè)的大力推動(dòng)下，在過去的幾年里，量子比特的數(shù)量在實(shí)驗(yàn)室中不斷增加，質(zhì)量也在提高。對(duì)于量子計(jì)算的科研人員來說，是驚喜和喜悅。我們需要考慮的不是教科書中的理想量子計(jì)算機(jī)，而是準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)；這些基于量子力學(xué)原理的復(fù)雜計(jì)算機(jī)，雖然邏輯操作不符合一般量子計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，但其行為幾乎不能被經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效模擬。在量子計(jì)算領(lǐng)域，一般稱為量子霸權(quán)。

在這個(gè)量子霸權(quán)時(shí)代，為了促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我們有許多緊迫的任務(wù)，包括量子操作系統(tǒng)、量子算法、量子軟件和一套復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

HiQ量子云服務(wù)平臺(tái)

實(shí)事求是地說，與當(dāng)代計(jì)算機(jī)相比，各研究機(jī)構(gòu)的量子設(shè)備和量子模擬機(jī)的計(jì)算能力仍有很大差距。縱觀世界各地的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司，在物理層面制造量子計(jì)算機(jī)的主要策略是逐步增加量子比特位數(shù)。

量子軟件和算法研究是量子計(jì)算硬件系統(tǒng)成熟之前的必由之路。華為已經(jīng)在量子計(jì)算模擬器HiQ云服務(wù)平臺(tái)取得階段性成果。HiQ云服務(wù)平臺(tái)已在2018年華為全聯(lián)系會(huì)議上發(fā)布，包括量子計(jì)算模擬器和基于模擬器開發(fā)的量子編程框架，基于華為云強(qiáng)大的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，采用分布式架構(gòu)、算法優(yōu)化創(chuàng)新，克服內(nèi)存容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬延遲的挑戰(zhàn)，提供全振幅模擬和單振幅模擬云服務(wù)。HiQ可模擬全振幅42量子比特以上，單振幅81量子比特(邏輯深度40層)以上，低深電路單振幅169量子比特(20層)。這是目前行業(yè)領(lǐng)先的量子電路模擬云服務(wù)，首次集成糾錯(cuò)量子電路模擬，可實(shí)現(xiàn)數(shù)萬量級(jí)量子比特的糾錯(cuò)電路模擬，性能是同類模擬器的5-15倍。

華為還首次展示了與開源兼容的量子編程框架ProjectQ同時(shí)，量子算法的并行計(jì)算性能計(jì)算性能，增加了兩個(gè)圖形用戶界面量子電路布置GUI（Graphical User Interface）和混合編排BlockUI（Block User Interface），使經(jīng)典量子混合編程更加簡(jiǎn)單直觀。

華為量子計(jì)算愿景

多年前，量子計(jì)算被稱為具有顛覆可能性的未來計(jì)算技術(shù)之一。如果指數(shù)級(jí)別加速，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要數(shù)萬年的計(jì)算任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)可以在幾分鐘甚至瞬間完成。雖然量子計(jì)算在硬件、軟件、算法、系統(tǒng)等方面存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程；然而，從近年來量子計(jì)算領(lǐng)域的快速發(fā)展趨勢(shì)來看，預(yù)計(jì)將在人工智能、藥物開發(fā)、量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、復(fù)雜優(yōu)化調(diào)度等方面帶來新的革命。

在繼續(xù)關(guān)注量子計(jì)算機(jī)硬件最新進(jìn)展的同時(shí)，華為也投入研發(fā)力量參與一些探索性研究，以促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)盡快出現(xiàn)。

量子計(jì)算是一種革命性的計(jì)算技術(shù)，不同于經(jīng)典計(jì)算。它時(shí)，量子算法是云計(jì)算未來的核心技術(shù)之一AI算法帶來新的視角，可以激發(fā)更好的經(jīng)典AI算法，加速計(jì)算速度。HiQ云服務(wù)平臺(tái)的推出標(biāo)志著量子計(jì)算研究和創(chuàng)新的關(guān)鍵一步。未來，華為將繼續(xù)在量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究和技術(shù)投資。量子計(jì)算模擬器堅(jiān)持開放、合作、共贏的理念HiQ云服務(wù)平臺(tái)已向公眾開放，提供云服務(wù)，與大多數(shù)開發(fā)人員、研究人員和大學(xué)師生合作創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)術(shù)突破，盡快實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。