量子計(jì)算再次迎來(lái)重大突破：國(guó)內(nèi)首個(gè)“量子計(jì)算雙創(chuàng)平臺(tái)”上線

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。對(duì)照于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)，其理論模型是通用圖靈機(jī);通用的量子計(jì)算機(jī)，其理論模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機(jī)。從可計(jì)算的問(wèn)題來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問(wèn)題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問(wèn)題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。2019年8月，中國(guó)量子計(jì)算研究獲重要進(jìn)展：科學(xué)家領(lǐng)銜實(shí)現(xiàn)高性能單光子源。

量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)(00、01、10、11)中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位(qubit)寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，對(duì)于n個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的處理速度。

量子計(jì)算讓編程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)一些振奮人心的事情成為可能。

量子二進(jìn)制數(shù)字或者量子比特之所以表現(xiàn)為這樣是因?yàn)橐环N叫作態(tài)疊加的原理。態(tài)疊加原理是量子計(jì)算背后的核心法則。我們?cè)谟懻搼B(tài)疊加時(shí)，通常會(huì)用到電子這一例子。電子具有自旋的特性，旋轉(zhuǎn)的方向既可能是向上也可能向下。然而，根據(jù)量子力學(xué)理論，電子不僅能向上或向下旋轉(zhuǎn)，它還具有一種綜合兩種狀態(tài)而任意線性組合的旋轉(zhuǎn)形式。線性組合意味著它可以同時(shí)具有向上旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)也有向下旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

2021年10月6日訊，隨著下一代通信技術(shù)的不斷迭代和用戶使用量的增加，以量子計(jì)算為主的新的算力平臺(tái)成為焦點(diǎn)，合肥市大數(shù)據(jù)公司近日依托合肥先進(jìn)計(jì)算中心和本源量子共同打造的合肥量子計(jì)算創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)上線。這是國(guó)內(nèi)首個(gè)量子計(jì)算雙創(chuàng)平臺(tái)，將面向多行業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者提供優(yōu)質(zhì)的量子計(jì)算學(xué)習(xí)、量子算法仿真開(kāi)發(fā)、量子計(jì)算應(yīng)用推廣和交流服務(wù)，推進(jìn)量子科技產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

了解得知，合肥在量子科學(xué)領(lǐng)域的研究一直走在前沿，在2020年合肥就啟動(dòng)了“量子計(jì)算創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)”建設(shè)，在經(jīng)過(guò)了幾個(gè)月的努力之后完成了平臺(tái)搭建、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試和線上部署。目前，該量子計(jì)算雙創(chuàng)平臺(tái)支持適配超導(dǎo)和半導(dǎo)量子芯片接入，包含了四種量子虛擬機(jī)(全振幅、單振幅、含噪音機(jī)、部分振幅)、量子軟件開(kāi)發(fā)插件、量子云軟件系統(tǒng)、量子算法應(yīng)用和開(kāi)發(fā)組件等。

值得注意的是，該平臺(tái)也包含“云上”“線下”服務(wù)。在“線上”,平臺(tái)主要基于“云”進(jìn)行技術(shù)孵化和項(xiàng)目孵化,只要?jiǎng)?chuàng)業(yè)者和創(chuàng)新者能夠連接入平臺(tái),無(wú)論身在何處,都可以進(jìn)行量子計(jì)算學(xué)習(xí)、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新應(yīng)用。在“線下”,合肥大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園提供物理場(chǎng)地和雙創(chuàng)服務(wù)平臺(tái),采用“基地+基金+數(shù)據(jù)+定制服務(wù)”的運(yùn)營(yíng)服務(wù)模式,構(gòu)建多方協(xié)作、互利共贏的良好大數(shù)據(jù)生態(tài)鏈,為眾多量子計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者提供全方位的雙創(chuàng)服務(wù)。

量子通信、量子計(jì)算，這些帶有神秘色彩的技術(shù)詞匯，在過(guò)去幾年逐漸為產(chǎn)業(yè)界熟知。其中，量子通信技術(shù)已經(jīng)開(kāi)啟規(guī)模商用，中國(guó)發(fā)射了全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”，并開(kāi)通了第一條量子保密通信干線——“京滬干線”。而更為前沿的量子計(jì)算，還處在商業(yè)應(yīng)用的萌芽階段。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)的力量開(kāi)始逐漸匯聚。9月27日召開(kāi)的中國(guó)國(guó)際信息通信展上，專門舉辦了一場(chǎng)“量子計(jì)算論壇”，國(guó)內(nèi)多位知名量子信息專家學(xué)者及行業(yè)初創(chuàng)公司濟(jì)濟(jì)一堂，探討了量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。論壇嘉賓、中山大學(xué)羅樂(lè)教授對(duì)C114強(qiáng)調(diào)，離子阱量子計(jì)算擁有明朗的未來(lái)。

量子信息包括量子通信、量子測(cè)量、量子計(jì)算。羅樂(lè)教授介紹，相較于其他兩項(xiàng)技術(shù)，量子計(jì)算是起步時(shí)間最晚，技術(shù)難度最大、參與企業(yè)最少、對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活影響面最廣的一項(xiàng)技術(shù)。它不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)典計(jì)算不可比擬的超強(qiáng)算力，也會(huì)反向驅(qū)動(dòng)量子通信、量子測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展。

對(duì)于量子計(jì)算的價(jià)值，羅樂(lè)教授認(rèn)為，這是21世紀(jì)的基礎(chǔ)技術(shù)，將服務(wù)于人類社會(huì)的方方面面，與之類似的技術(shù)是人工智能。區(qū)別在于，人工智能初級(jí)階段的技術(shù)，例如人臉識(shí)別等，已經(jīng)開(kāi)啟規(guī)模商用，商業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新形成正循環(huán)。量子計(jì)算還處在更早期的階段，技術(shù)流派初步成型，應(yīng)用場(chǎng)景也在探索中。“舉例來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算可望在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，替代經(jīng)典計(jì)算產(chǎn)生的巨大能源消耗，助力達(dá)成國(guó)家‘雙碳’的戰(zhàn)略目標(biāo)?！蹦壳?，量子計(jì)算主要有兩大技術(shù)流派：離子阱和超導(dǎo)。哪種技術(shù)流派更具前景，美國(guó)IonQ公司讓離子阱技術(shù)的價(jià)值得到進(jìn)一步廣泛重視，該公司由羅樂(lè)教授博士后導(dǎo)師、美國(guó)科學(xué)院院士Monroe教授創(chuàng)立。事實(shí)上，IonQ成功上市，意味著離子阱技術(shù)的商業(yè)化潛力，取得了資本市場(chǎng)的認(rèn)同。

教會(huì)電腦知道現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的原因并從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的方法就叫做機(jī)器學(xué)習(xí)。這是人工智能的一個(gè)分支。我們所寫的大部分代碼都是完全靜態(tài)的，也就是說(shuō)，給定新的數(shù)據(jù)，它將不斷地重復(fù)執(zhí)行相同的計(jì)算并且犯同樣的錯(cuò)誤。使用機(jī)器學(xué)習(xí)，我們可以設(shè)計(jì)自我修正的程序。這種程序還可以學(xué)習(xí)采用新的方法去處理一小段數(shù)據(jù)，甚至這些數(shù)據(jù)機(jī)器從來(lái)就沒(méi)見(jiàn)過(guò)。在D-Wave硬件上運(yùn)行很好的程式都是需要在不確定條件下學(xué)習(xí)和做出決定的程序。舉個(gè)例子，假設(shè)讓電腦基于一組之前給它看過(guò)的相似物體的圖片中識(shí)別某個(gè)物體。對(duì)于遵循嚴(yán)格邏輯原因設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電腦架構(gòu)來(lái)說(shuō)，這個(gè)任務(wù)非常困難。如果系統(tǒng)被輸入了一張新圖，它就很難對(duì)這張圖進(jìn)行總體描述。比如“這看起來(lái)像個(gè)蘋果”。D-Wave的處理器是被設(shè)計(jì)成支持那些擁有高級(jí)認(rèn)知水平和決斷能力的應(yīng)用程序

我們?cè)鯓硬拍苁褂昧孔佑?jì)算機(jī)去實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)呢?舉個(gè)例子，比如我們想讓系統(tǒng)識(shí)別物體。為此編寫能量程序也是非常困難的，甚至是使用量子編譯器也是如此，因?yàn)槲覀儾恢涝诩?xì)節(jié)上如何能抓住讓系統(tǒng)必須認(rèn)識(shí)的物體本質(zhì)。幸運(yùn)的是，我們還有另一種方法繞開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)檫@里有一種模式可以讓量子計(jì)算機(jī)根據(jù)新輸入的數(shù)據(jù)片段來(lái)調(diào)整它自己的能量程序。這就允許機(jī)器做出比較好的去猜想這個(gè)物體到底是什么。甚至這個(gè)實(shí)例電腦從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)。下面的章節(jié)給除了這個(gè)過(guò)程的大致框架。

如果你感到有些疑惑，別擔(dān)心。即使是在量子計(jì)算領(lǐng)域的重要科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，它無(wú)法僅靠直覺(jué)來(lái)領(lǐng)悟。尼爾斯·玻爾說(shuō)：“那些第一次聽(tīng)到量子理論而沒(méi)被震驚的人，可能還沒(méi)能理解它?！崩聿榈隆べM(fèi)曼說(shuō)，“我可以很有把握地說(shuō)還沒(méi)有人能理解量子力學(xué)。”