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量子科技已經成為國家重點發展的“先手棋”，基礎科普、人才培養與產業布局的工作，也在緊鑼密鼓進行。10月27日，百度無限“量”，大咖聊量子科普課堂線上開講，百度研究院量子計算研究所所長段潤堯，中國計算機學會高級會員段永朝和天體物理博士馬志博共同亮相，在演講與圓桌Panel中圍繞量子科技的技術前景、未來發展，及其對國家發展的戰略意義進行了研討與科普。活動中，段潤堯發表演講《量子計算的巨星之道》，從量子的整體發展歷程，講到百度量子的發展現狀、最新技術和應用成果，并表示當下是播種“量子樹”的最好時機。
段潤堯在演講中表示，近年來，量子科技在軟件、硬件和算法上取得巨大突破，整體認識水平的提升推動了量子研究領域的進步，同時，量子計算已經成為面對一些科技瓶頸時的新選擇。百度2018年就以“百度量子、量子百度”為使命成立量子計算研究所，著力開展量子計算軟件和信息技術應用業務的研究。通過廣泛開展量子技術儲備、頂尖人才培養以及量子生態構建，百度致力于建成世界一流的量子人工智能研究所，做好迎接量子計算時代的準備，最終實現“人人皆可量子”的美好愿景，讓每一個人都切實享受到量子時代的技術紅利。
此外，百度也希望通過積極創新孵化出全新的量子業務，從而為百度乃至于國家的經濟發展提供新支撐。對于企業如何抓住量子機遇，段潤堯也給出了建議：“第一發力科學教學，未來量子計算機會成為我們最重要的工具；第二是培養頂尖人才；第三量子計算的爆發會為AI和云計算注入新活力；第四是產業升級，謀劃越早越好。”
我今天報告的標題是《量子計算的巨星之道》。很多年前，大家真正聽過量子計算的人可能很少，但是這兩年量子計算突然冒出來，將來會有更大的發展。這個過程非常艱難，但是大家已經開始關注到它，所以很有必要把這個背景先介紹一下。
實際上，講到量子計算，一定要提量子力學，沒有量子力學也就沒有量子計算。量子力學的歷史已經有120年。上個世紀初，普朗克已經想到了量子力學的概念，發現這是一種和經典物理學完全不一樣的現象，需要把原來認為連續的能量看成離散的、一份一份的，才能解決黑體輻射的問題。在這之后，天才輩出，愛因斯坦發現光子也是一種量子現象，提出“光量子”的概念。之后玻爾發現原子軌道離散化，然后還有德布羅意、海森堡、薛定諤以及狄拉克等非常偉大的物理學家一道，最終建立起整個量子力學，發現了微觀世界的規律。這中間的過程非常復雜和曲折，但有意思的是，如果學數學和計算機的話，有兩個必須知道的名字——希爾伯特和馮·諾伊曼，他們兩人 在30年代，把量子力學用四條公理解釋出來。通常在科普報告里講量子力學，我只會講量子現象的神奇，但是今天要把全部的量子力學展示出來，因為經過希爾伯特和馮·諾伊曼的努力，只要四條嚴格的數學公理就能精確刻畫出量子系統應該遵循的規律。
第一條，想在數學上刻畫出一個系統的狀態，是用希爾伯特空間，也就是帶有內積的復線性空間，其狀態由空間里面的一個單位長向量完整刻畫，這是非常精確的描述。系統隨著時間的變化而變化，它的規律是什么呢？這就是著名的薛定諤方程，或者用酉矩陣來表示，這是第二條。第三條，如果觀察系統的變化程度，從里面獲取信息，就有所謂的量子測量。量子測量可通過簡單的共軛矩陣來刻畫。第四條，多量子系統可組成多體量子系統，就可以用張量積描述其系統狀態。
剛才我開玩笑說量子力學只要花兩個小時就可以精確解讀，所以如果要想真正了解量子計算，第一步要先花兩個小時好好解讀它。有人問學它的用處，它確實不能馬上幫我們解決很大的問題，但是可以嚴肅的說，學了這個，至少可以防止被忽悠。如果有人跟你講量子但不知道四條公理，你就能判斷肯定有問題。
接下來就是大家比較熟悉的，只要用到大學一、二年級線性代數描述的東西，就會衍生出非常奇特的現象。第一個是量子疊加，一個狀態既處于0又處于1的特殊狀態，本質上是因為是它是線性空間向量，有可以處于兩個基狀態的疊加的可能。最有名的就是薛定諤的貓，可能處于死或者活的疊加狀態，這是量子力學第一條公理最自然的推論。第二條是相干性。在經典計算里面，你輸入0最后結果是0，你輸入1最后結果是1。但是量子里面還會有處于疊加的輸入，最終可能會有兩條路徑同時進行計算，但最后它們可以完成消除成為一種操作，它們互相會發生干涉，就是量子相干性，這種相干性導致量子很多時候和經典的相干性完全不一樣，這就是我們量子計算里面很多能力的來源。第三條是量子糾纏，也是大家非常熟悉的概念。兩個系統最終會處于一個非常特殊的狀態，你必須要把它看做一個整體，如果你對其中一個有任何操作，哪怕是相隔千山萬水，你也可以預測到另外一個的關系和變化，當然這個變化有條件，所以它并不違背所謂的信息傳遞不能超過光速。
這三條都是上述公理自然的推論，但保證了后續基于量子力學的信息處理模式有超強的能力。常有人拿第一條舉例說并行計算，實際上是三條同時作用。有了這個，可以快速過渡到今天我們關心的狀態。物理學家數學家花了二十多年，終于把量子微觀世界的規律總結成非常簡潔明了的四條，對世界產生巨大影響；核反應、激光、NMR核磁共振，還有手機上的晶體管都是基于量子力學的基本原理。第一次量子革命就是指量子力學的建立及其直接應用。今天講量子科技的概念，是指量子科技要在這個基礎上進一步深化，不只是整體對材料進行應用，而是希望能夠操控到具體的量子系統，能定制量子態，把原來抽象的量子態和量子系統當成一種資源使用，而不僅僅是研究其表象。之所以稱為新量子革命，或者第二次量子革命，因為有可能還要進一步革命。
這個事情的影響非常深遠，因為通信模型如果以量子力學作為基礎，可以衍生出量子通信。1936年圖靈提出來的計算模型和量子力學結合起來就是量子計算。依此類推有很多方向，因為量子力學是非常基礎的物理理論，很多原有方向加上量子力學后會產生新應用。
新量子革命雖然大家聽的很多，但能不能直觀表達它的意思呢？其實我們希望把微觀的量子現象最終以宏觀技術的形式展現出來。原本微觀世界摸不著看不見，但是通過量子計算機可以對它進行編程和操控。我個人認為量子計算在整個新量子革命中處于一個至關重要的位置，將來的計算應該以這個作為基礎。也有人問量子計算之后會不會有別的計算？目前來看這可能是我們能達到的極限。
為什么要做這件事？最重要的一個原因是真實的世界都是量子系統，但是如果真正模擬系統，會發現它的參數是指數之多，很難有效模擬。所以1982年物理學家費曼提出來，模擬量子物理系統必須用具有量子效應的計算機。這是極大的驅動力，量子模擬正是量子計算以及整個量子信息科學應用的核心。
另外一個原因，關乎現有的計算。隨著芯片線路尺寸逐漸接近量子尺度，達到7納米以后，會不可避免的出現量子效應，像量子隧穿，從而沒有辦法按照經典電磁學的方法真正進行控制，這種情況就需要考慮新模式。此外，當前芯片發熱研究發現一個大問題，再過二十年以后，計算機消耗的電量可能會超過人類的總發電量，損耗很大，急需要新模型來解決。可以證明，量子計算其實不消耗能量，消耗能量是因為現在的實現過程有一些問題。
大背景之下，量子科技興起非常自然，我國在本世紀初就定了國家規劃，把量子計算作為重點來抓。最近，習總書記講話真正使我們認識到量子科技發展的重要性和緊迫性，所以現在要做好戰略謀劃和系統布局。
國際上，主要發達國家，比如美國、澳大利亞、歐洲、日本都已經展開布局，連新加坡也有很多量子工程的布局。這種情況下，我國肯定也需要考慮。
量子技術的趨勢是一個非常自然的結果。摩爾定律結束以后，必然會考慮量子效應，芯片怎么進行信息處理，量子信息天然的優勢使得它可以做隱私保護。經典信息是可以被克隆的，但是量子信息是一個未知的狀態，沒有辦法被精確復制，因此量子信息本身是具有安全性的。目前，已有很多人在進行相關研究。
像百度這樣的AI公司，自然也希望隨著AI技術的進一步發展，找到AI技術的突破口，把AI應用到量子計算里面。反過來，我們也希望量子計算能為AI的發展提供新的動力，最終真正完全實現量子計算，使我們的計算和信息處理都可以通過量子計算和互聯網實現，這是我們的期望。
現在硬件的發展已經達到所謂的NISQ時代。目前，國際公司大概可以做出50個量子比特的芯片，這個芯片可以做一些現有的計算機沒辦法做的事情。但是芯片本身噪音很多，而且不能糾錯，所以不能進行完全的計算，只能做一些特定的任務。這個過程會持續很長時間，想要完全實現量子計算需要十年左右。在這個過程中到底能做什么是現在研究的熱點。國外一些大公司早已展開布局量子計算，尤其是IBM。IBM對技術的投入非常之早，早在上個世紀80年代，他們已經有像Charles H.Bennett 這樣的大科學家從事可逆計算的研究。這里特別提到2016年這個時間節點，是因為2016年他們推出了云上小型量子計算機供大家使用。
國內幾家代表性的公司在過去三年內也已經做了布局。很多初創公司非常優秀，也有很多科學家組建公司去做量子這個事情。大家的熱情高漲而且非常有信心，實現的方案各不相同，提供實現的情境也各種各樣。當然還有很多科研院校也在做。國內現在幾乎找不到一個完全沒有量子計算和量子科技相關專業的學校，總有那么幾個人做這方面的事情。我們很難預測一個準確的時間點，但這個趨勢是很明顯的。
百度本身是一個有技術信仰的公司，對量子計算等新的方向關注也很早。2018年3月8日成立了量子計算研究所，用八個字概括它做的事情，就是“百度量子，量子百度”。“百度量子”的意思是要建造一所世界一流的量子計算研究所，幫助我們做好迎接量子計算時代的準備。“量子百度”是指在這個過程中，研究所要和百度的核心業務、核心技術結合，真正的把整個核心技術升級成以量子計算為基礎的技術。
我們未來主要是想做三個方面的事情：最核心的是量子人工智能的應用，因為最終技術要為人所用。另外，量子計算機想要發揮作用需要好的算法，所以我們需要研發更多好的算法，比如搜索、模擬、安全計算等方向。在最底下還需要一個架構進行支撐，而且我們需要有自己的編程平臺，需要有一些分布式互聯的設施，也需要和硬件互聯的接口。很多人問有沒有硬件？實際上，我們采取了更好的一條路徑。量子硬件的方案僅我知道的就有七、八種，到底最后誰勝出目前還不清楚。所以仍然有很多事情可以做，我們希望通過更靈活的接口來解決硬件互聯的問題。最終我們希望打造“人人皆可量子”。什么意思呢？大家都知道，平等獲取信息是非常重要的，互聯網某種程度上講解決了這個問題。量子信息作為一種尖端的科技，希望未來人們也能夠有平等獲得的權利，這是我們希望達到的目的和愿景。
很高興的告訴大家，我們的戰略規劃已經有了一些初步的實現，我們做了百度量子平臺。其中包含量易伏，一個云原生的量子編程平臺，是國內第一家，性能非常強大。程序員可以通過這個平臺和硬件實現互聯，從而有使用量子的能力。量脈則是實現軟件和硬件相互轉化的工具，也是一個云計算平臺。還有一個就是量槳。今年5月20日，CTO王海峰老師發布百度基于飛槳做的第一個工具集Paddle Quantum，這意味著之后深度學習開發者可以通過百度飛槳最終調用到量子的能力，也可以反過來調用飛槳的能力做量子科技的研究。圖中最上面的是應用，可以是為科研工作人員或者教育工作者服務，也可以在工業界應用，也可以應用于人工智能。通過中間開發的工具集，最終可以和硬件處理器或者模擬器進行互聯，大家去百度量子平臺看看，是可以免費使用的。這是我們非常核心的一個產品，未來會持續更新。
再提一下量子計算的應用。量子計算作為一種非常底層的核心技術，在現在計算機應用的很多場景里都可以找到。特別值得提的是安全場景，量子計算機擅長破解RSA密碼系統，將來如何保護隱私，都是需要用量子方法去解決。量子安全計算、信息安全，以及量子和后量子密碼都會作為非常重要的研究方向。
另外一個就是材料模擬。如果我們想找到一個好材料，是需要做大量的模擬，需要根據量子系統的能量去模擬，非常費時費力，而且沒有更好的辦法。但現在所有量子系統都可以利用量子計算機進行快速的模擬，當然要是自然的、不能是假設的系統，這是一個非常重要的應用。
還有就是生物制藥。現在人類面臨最大的挑戰就是糧食問題。如何提高糧食的產量，哪怕只提高一點點都非常有意義。如果我們用量子計算方法，通過化學模擬找到一些肥料或者類似的東西，就會很有意義，更不要說疾病。Robin說人工智能讓人類獲得永生，通過數字化來保留人的很多信息。但是如果把量子加上去，通過研發新藥，人類就可能會更加長壽健康。
最后就是人工智能，這也是短期內大家比較期望的東西。
特別提一下，所有美好的愿景最后都是需要靠人去推動。現在面臨一個問題，從幼兒園、小學，到大學里面，幾乎沒有專門講量子計算或者量子科技的課，量子力學也不是每個專業都要學習的。但是量子應該像牛頓力學一樣，需要大家慢慢的嘗試。有的人說小孩子不理解，不理解沒關系，先記住再慢慢理解。他先花兩天記住，花二三十年理解，到了二三十歲的時候再開始做研究也挺好的。教育研究這塊一定要抓，美國已經非常超前，出臺了最新政策，保證小學生、中學生要開始接受這方面的教育。量子科技人才隊伍的培養勢在必行，在這次習總書記的講話里這是非常重要的一條。量子科技方面的人才培養是非常重要，需要整個教育機制去做。
再跟大家分享一件開心的事情。實際上，百度在人才培養方面已經開始在行動。關注IT的朋友會知道百度有一個競賽叫百度之星，今年是第16年，5月份的時候我們決定把題目改成量子計算。10月18號比賽題目就是以量子計算為核心問題，用量子電路合成來命題。最開始我們都捏著一把汗，因為這些同學好多都是初中生、高中生，還有一些大學生博士生，大多是IT的，從來沒有接觸過量子的概念，也沒有這方面的知識。出乎意料的是他們的比賽成績都非常好。量子計算其實也要從娃娃抓起，這次比賽最小的學生陳奕帆才小學六年級，后來CTO王海峰老師給他頒了“未來之星”獎。我在現場看到他非常敏捷的進行編程的時候，非常感慨，后浪太可怕了。
量子科技這樣新的革命來臨的時候，我們應該怎么做？我的建議是，一定要產學研結合。作為產業界，中國的公司包括百度在內已經在布局，而且已投入好幾年。學校也要開始做這方面的準備。百度之星比賽就是我們的試金石，接下來我們也會繼續行動，希望能夠真正推動它在IT界的普及。當然很重要的還有科研機構也需要產業化。三者之間應該是互助共贏的關系。
百度希望把技術向用戶、合作伙伴、開發者朋友們分享，希望我們的技術能夠被他們所用。而且百度也有很多硬件選擇，所以希望能夠和各個硬件提供商進行良好的合作。同時，百度與學校的合作也在進行中，包括清華大學、悉尼科技大學、巴塞羅那自治大學，還有新加坡國立大學。同時，我們也資助量子領域的頂級會議，這個領域相對比較新，疫情期間就資助了一家會議召開。這里我想說，我們最后還會把這些貢獻成BQP（Baidu Quantum Program），一個百度的量子綱領，作為一個文件供大家使用、參考。我們也有非常高端的專家來幫我們提出建議，比如量子密碼的發明人之一Artur Ekert，也是牛津大學教授，量子領域的元老。這是我們希望打造的可持續開發的量子計算生態。
最后做一下展望。現在我們處于天時地利人和的狀態。這種狀態下，量子科技到底能夠在哪些方面帶給我們改變，哪些方面又需要特別關注？以下是我個人的一點淺見。
第一條是科學、教學方面。科學方面，我們現在也意識到，做科學研究、探索世界是人類最重要的事情，因為認知水平決定了時代文明的程度。這種情況下，量子計算機就像經典計算機一樣，將來會成為我們最重要的一個工具，成為只要踏足世界就根本離不開的基本的東西。特別是量子力學會和別的學科發生關系，比如物理兩大基礎，一個是量子力學，一個是廣義相對論，這兩個東西無法合并，但是科學家發現，如果用量子糾纏、量子信息概念去研究，會出現很有意思的東西，比如霍金現象就會得到解釋。第二個就是頂尖的人才。目前還非常稀缺，非常亟需解決。經常有人問我量子力學是不是已經有泡沫了？有沒有泡沫我不知道，但是人還沒有。從小學、中學、高中到大學，每個層次的人才都需要布局，人才是不能速成的，需要長期培訓。第三點是應用。年初，當時我和CTO王海峰老師進行討論，最后我們逐字逐句的發布了一個百度研究院對科技趨勢的十大預測，其中特別提到量子計算將會爆發，會為AI和云計算注入新活力。現在看來當時預測有可能是對的。第四條是產業的升級。現在“互聯網+”已經變成一個共識，每個行業都會跟互聯網發生關系。現在已經有智能經濟的概念，那么智能革命之后，量子如何進一步升級，這與每個行業都息息相關。越早做謀劃，后面就會越得心應手。這些合起來就是一個STAR，希望我們最終能夠看到量子科技之星冉冉升起。
中國有句古話“前人栽樹，后人乘涼”。樹除了讓人心情愉悅，最大優點是特別能活。目前最長命的樹是歐洲瑞典的一棵活了9500多年的樹，它的樹干每隔600多年換一次，但是它的根已經活了9000多年。所以，現在正是我們播種“量子樹”最好的時機。謝謝各位！
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