2023年的CES(消費(fèi)電子展),IBM在展臺上拿出了一個巨型的裝置。華貴如一座中世紀(jì)鐘表,通體金色又富有棱角的質(zhì)感又像極了某種珍貴的天然礦石。

這個裝置實(shí)體的背后的確有一座富礦,IBM把它命名為Q System One——世界上第一個完全集成科學(xué)和商業(yè)用途的通用量子計算機(jī)系統(tǒng)。一個幾乎與經(jīng)典計算機(jī)平行的概念。

那次CES舉辦的前后,段潤堯正在北京準(zhǔn)備一次量子力學(xué)的科普演講。這個領(lǐng)域的所有人都一定關(guān)注到了IBM這件精密如藝術(shù)品般的裝置。

美國在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先位置無可爭議,IBM是那顆皇冠上的明珠。Q System One讓IBM成為量子計算的規(guī)則制定者,作為百度量子計算領(lǐng)域的負(fù)責(zé)人,段潤堯已經(jīng)將自研量子計算機(jī)提上日程。

“乾始”

2023年8月25日,北京亦莊,百度云計算園區(qū)。

受邀來參觀的人群在換上防塵服后,走進(jìn)了一間實(shí)驗(yàn)室。眼前是一個與IBM極為相似的裝置放在里面,并且已經(jīng)投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

這是百度的量子實(shí)驗(yàn)室,也是這座超導(dǎo)量子計算機(jī)第一次對外公開。段潤堯和他的團(tuán)隊是這臺裝置的研發(fā)者,看得出他非常高興,在向眾人講解運(yùn)行原理的時候開了個玩笑,“你們聽這屋子里這么吵,因?yàn)檫@裝置很費(fèi)電,這都是錢的聲音。”

后摩爾時代,電子隧穿效應(yīng)愈發(fā)明顯,量子效應(yīng)是面對高耗電和經(jīng)典摩爾定律遇阻時不得不考慮的出路,量子技術(shù)上的任何進(jìn)展都是錢所無法衡量的。

百度量子實(shí)驗(yàn)室的開放,讓外界終于有機(jī)會近距離觀察這個超導(dǎo)量子計算機(jī)中的經(jīng)典裝置。

這是“量子計算”這個極抽象的概念最為具像化的一次呈現(xiàn)。一臺超導(dǎo)量子計算機(jī)的核心,是一塊量子芯片,和一個量子低溫系統(tǒng)。

低溫系統(tǒng)要為量子芯片創(chuàng)造一個無限接近“絕對零度”的環(huán)境——零下273.15度。

在極度低溫的環(huán)境下,某些物質(zhì)會發(fā)生電阻降為零的陡峭性質(zhì)變化。在微觀角度上,粒子會下降到可能的最低能量狀態(tài)。這導(dǎo)致它們會以一種不尋常的集體方式運(yùn)動,單個粒子不能再被碰撞或推離那個較低的狀態(tài),這意味著它們將毫無阻力地流動,成為超導(dǎo)體。

超導(dǎo)體也因此成為為數(shù)不多的具有量子化能級、疊加態(tài)和糾纏等量子特性的宏觀器件。這種具有宏觀量子特性的器件為實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子計算與組建超導(dǎo)量子計算機(jī)打下了硬件基礎(chǔ),一直以來,超導(dǎo)量子計算被視為最有可能實(shí)現(xiàn)普世量子計算機(jī)的體系。

芯片是百度自研的,一塊包含10個量子比特的超導(dǎo)量子芯片。這臺超導(dǎo)量子計算機(jī)取名“乾始”, “天生萬物”的意思。

“萬物”大概指的是未來基于乾始所可能誕生的量子軟件或者應(yīng)用程序。參觀環(huán)節(jié)結(jié)束后,下午會有一場量子開發(fā)者大會。百度的這臺量子計算機(jī)比IBM、阿里巴巴出現(xiàn)的都要晚,但它從一開始就是奔著產(chǎn)業(yè)化去的。

在軟件與硬件之間,百度準(zhǔn)備了一個叫“量脈”的接口。這是一個基于云計算的量子控制平臺,用云服務(wù)和開源SDK來為量子控制提供手段。

在軟件層面,百度推出了全球首個云原生量子計算平臺“量易伏”,如果將乾始看作一個主機(jī),量易伏就是一個前端的操作系統(tǒng)。這個操作系統(tǒng)在上周作為一個應(yīng)用程序在iOS和安卓平臺中上線,用戶可以在量易伏上編程,并選擇在量子模擬器或量子計算機(jī)上運(yùn)行量子程序。

百度在2023年研發(fā)出了量脈,隔年推出量易伏(并未開放下載),直到現(xiàn)在乾始作為硬件的公開,一條清晰的從軟件到硬件的道路顯現(xiàn)出來。量子計算先驅(qū)、量子密碼學(xué)的共同發(fā)明者Artur Ekert看來,百度在量子計算上的發(fā)展思路十分扎實(shí)。

大師門生

Artur Ekert自2023年7月開始擔(dān)任百度研究院顧問委員會委員,就在那一年前,段潤堯離開悉尼科技大學(xué)進(jìn)入百度。從清華到悉尼科技大學(xué),段潤堯的學(xué)術(shù)生涯一直師從量子計算領(lǐng)域的大師應(yīng)明生,應(yīng)明生在進(jìn)程代數(shù)中的拓?fù)浜土孔映绦虻腇loyd-Hoare邏輯方面貢獻(xiàn)卓越。

《紐約時報》曾在2023年的一篇報道中提到,全球真正的量子計算科研人員只有幾千人,中國量子計算領(lǐng)域起步較晚,可以想象人數(shù)會更少。這是個門檻極高的研究領(lǐng)域,能踏進(jìn)來的人范圍很窄。

而當(dāng)下的活躍者,背后的脈絡(luò)繞不開應(yīng)明生和姚期智。

姚期智在2000年獲得了中國至今唯一的圖靈獎。2002年他回國來到復(fù)旦,與國內(nèi)的計算機(jī)領(lǐng)域?qū)W者交流,當(dāng)時作為清華大學(xué)計算機(jī)系導(dǎo)師教授的應(yīng)明生將自己組里的學(xué)生打包送去上海,其中包括孫曉明和張勝譽(yù)。

兩人與姚期智在學(xué)術(shù)研究上的交集由此開始,之后孫曉明成為姚期智在清華指導(dǎo)的第一位博士生,幾年后進(jìn)入中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所擔(dān)任研究員。張勝譽(yù)則作為姚期智在普林斯頓的“關(guān)門弟子”赴美留學(xué)。

施堯耘同樣師從姚期智,是張勝譽(yù)在普林斯頓時期的同門。姚期智在2011年赴清華開設(shè)交叉信息研究院,翁文康在兩年后回國,2023年進(jìn)入清華交叉信息研究院任職助理教授。段潤堯則是孫曉明是清華時期的師兄弟,都曾師從應(yīng)明生。

段潤堯、張勝譽(yù)、施堯耘和翁文康,現(xiàn)在分別是百度、騰訊、阿里巴巴以及華為的量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人——未來中國在量子技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化上最核心的四家公司。

不確定性之外的普世價值

像是某種巧合,師從量子計算理論研究領(lǐng)域大牛的四人先后從學(xué)界跳出投身產(chǎn)界。與其他學(xué)科不同,量子計算領(lǐng)域的顯著特點(diǎn)是其優(yōu)越性會隨著規(guī)模擴(kuò)大而呈指數(shù)性的增長,這意味著對于產(chǎn)業(yè)化的考慮必須是前置的。

另一方面,行業(yè)內(nèi)部的感知是,量子計算的發(fā)展也已經(jīng)到了產(chǎn)業(yè)突破的臨界點(diǎn)上。

從“懸鈴木”到“祖沖之號”,在量子優(yōu)越性上持續(xù)顛覆前者的量子計算原型機(jī)已經(jīng)相繼出現(xiàn),而隨著人類對量子比特的同時掌控數(shù)量能夠穩(wěn)定的達(dá)到100個以上,人工智能、密碼安全等前沿領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用將會得到大幅度的推進(jìn)——目前人類對量子比特的控制水平已經(jīng)達(dá)到100個。

“到2031年,全球量子計算直接相關(guān)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模可以達(dá)到8千億元。另一方面,最近也有調(diào)研表明,重大企業(yè)中有將近70%都希望能夠進(jìn)行量子計算相關(guān)的布局”,段潤堯提到了這兩個數(shù)字,外界對量子計算的感知漸強(qiáng)也在回應(yīng)乾始的出現(xiàn)。

乾始和量易伏成為百度推出全球首個全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”的最后兩塊拼圖。“量羲”集量子硬件、量子軟件、量子應(yīng)用于一體,成為一個模塊化的量子計算開發(fā)工具箱,并且提供移動端、PC端、云端等在內(nèi)的全平臺使用方式。這一從應(yīng)用入口到硬件控制的全流程打通,對于段潤堯來說也是兌現(xiàn)了一份4年前的答卷。

百度、阿里巴巴、騰訊以及華為曾在2023年的中國計算機(jī)大會(CNCC)上有過一次同臺。彼時百度量子計算研究所剛剛成立一年,段潤堯在那時已表達(dá)了對于“統(tǒng)一編程平臺”和“硬件接口”的關(guān)注。

從這個角度看,百度從進(jìn)入量子計算領(lǐng)域開始就站在一個相對終局的視角上。這條路長遠(yuǎn)來看收益更大,也有更多的不確定性。

目前學(xué)界將量子計算的發(fā)展分為三個階段。

第一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子計算優(yōu)越性。即量子計算機(jī)對特定問題的計算能力超越超級計算機(jī),這一目標(biāo)已經(jīng)有美國、中國和加拿大先后達(dá)到。

第二階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī),可以應(yīng)用于組合優(yōu)化量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題,來指導(dǎo)材料設(shè)計、藥物開發(fā)等。達(dá)到這一階段,按照目前的估計還需要5到10年,是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要的研究任務(wù)。

第三階段是在實(shí)現(xiàn)量子糾錯的基礎(chǔ)上,構(gòu)建可編程通用量子計算機(jī)。由于技術(shù)上的難度,何時實(shí)現(xiàn)通用量子計算機(jī)尚未明確。

“學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年至20年,甚至更長的時間”,中國科學(xué)院院士、“墨子號”首席科學(xué)家潘建偉表示。

這意味著乾始或者類似的通用量子計算機(jī)未來可能會長時間卡在一個外界看來粗糙或者無法解決實(shí)際問題的尷尬階段。

對此,段潤堯也表示,乾始的意義不只在于去追求某些指標(biāo)拿到業(yè)界第一,而是希望量子計算這件事能盡可能的普世化,讓更多人形成認(rèn)知,盡管這意味著可能無法體現(xiàn)這臺量子計算機(jī)的全部性能。

這也是為什么百度開放上線了量易伏這個量子編程平臺——大家都搞不懂量子計算,不如先玩玩看。這是百度務(wù)實(shí)的地方。

“21年前我在清華園里追隨我的教授開始從事量子計算研究時,怎么也想不到今天也許一個高中生,甚至一個小學(xué)生,只要會寫程序,就能通過我們的云端訪問量子計算機(jī)。在幾秒鐘里通過手機(jī)上或者電腦完成當(dāng)時一個頂尖團(tuán)隊、頂尖的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家花了數(shù)月或者數(shù)年都沒有完成的實(shí)驗(yàn)”, 段潤堯談到量易伏時有些感慨。

“因?yàn)榱孔有?yīng)不可思議,所以最好的辦法就是去實(shí)踐,然后去接受它。 ”