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在過去的一百年里，人類在文明上取得了兩個偉大的突破，一個是計算機的發(fā)明，另一個是量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)。兩者都促進了人類世界的跨越式進步。大約二三十年前，這兩個偉大的思想發(fā)展了量子信息科學(xué)。其中，量子計算機的概念提供了突破當前經(jīng)典計算機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

計算機是現(xiàn)代人類文明的象征，現(xiàn)代社會對計算資源的需求是無窮無盡的。歷史告訴我們，計算能力的提高使社會運行更有效率，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，我們普遍使用的計算機工作原理是基于經(jīng)典力學(xué)框架設(shè)計的，即1是1，0是0；山是山，水是水。在過去的幾十年里，經(jīng)典計算機芯片越來越好，計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從一個元件到另一個元件的距離，可以加速邏輯操作，減少能耗，殺死許多鳥。這個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代理事實上，每18個月翻一番。

然而，當摩爾定律提出時，它也表明了它失敗的日子——因為物理元素不能無限縮小。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計算能力的道路就結(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)人類達到經(jīng)典世界和量子世界的邊界。跨越過去后，量子計算將開辟一個新的世界。

量子力學(xué)讓我們意識到，在現(xiàn)實世界中，有許多物理規(guī)律違背了直覺，顛覆了我們對整個世界的認知。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)可以同時代表1和0；山不是山，水不是水。量子計算的核心思想是以量子力學(xué)為框架，開發(fā)更強大的量子計算機，讓我們重新理解計算的意義；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，人類對各種物質(zhì)的特性有了更深入的了解，產(chǎn)生了許多先進的技術(shù)發(fā)明。例如，激光是通過認識光的量子特性開發(fā)出來的；芯片是通過認識電子的量子特性開發(fā)出來的；核磁共振成像技術(shù)是通過認識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)進步可以歸類為第一次量子革命。

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

第二次量子革命的特點是需要從量子力學(xué)的本質(zhì)中發(fā)展新技術(shù)。例如，量子計算機是通過量子疊加原理開發(fā)的；量子精密測量技術(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帶來各種科技突破。

量子計算的潛力

量子計算機與經(jīng)典計算機最大的區(qū)別在于，存儲和傳輸數(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：一個量子比特可以同時0和1兩個邏輯狀態(tài)的線性疊加；兩個量子比特可以同時處于00、01、10和114個邏輯狀態(tài)；多個量子比特可以實現(xiàn)指數(shù)增長。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)典計算機網(wǎng)絡(luò)所依賴的加密系統(tǒng)。雖然我們還沒有開發(fā)出通用量子計算機，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。如果一些機構(gòu)或個人在50年后開發(fā)量子計算機，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，將逐一被破解。因此，量子計算機的概念促使網(wǎng)絡(luò)安全專家開發(fā)新的加密方法來對抗量子攻擊。

近年來，量子計算研究取得了許多重大突破，促進了量子計算復(fù)雜性的發(fā)展。同時，量子算法的經(jīng)驗也對經(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值。

對于未來，研究人員普遍認為量子計算機可以在量子化學(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，一旦量子計算機成功開發(fā)，我們今天將找到更多意想不到的應(yīng)用程序。

量子計算機多路線之爭

事實上，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，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)中的兩個能級都可以用作量子比特，只要有實驗控制和讀取。

目前，相對成熟的系統(tǒng)包括：超導(dǎo)量子器件、量子點、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，量子計算機的硬件研發(fā)是按照不同的路線同時進行的。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)，取長補短，提高整體效率，代表著人類科技進步的重大挑戰(zhàn)。

量子霸權(quán)時代

量子計算機應(yīng)該是一臺強大的計算機。然而，理論上我們無法證明量子計算機能夠快速解決經(jīng)典計算機無法有效解決的問題。比如說，Shor雖然量子算法的計算復(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)的大力推動下，在過去的幾年里，量子比特的數(shù)量在實驗室中不斷增加，質(zhì)量也在提高。對于量子計算的科研人員來說，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算機，而是準量子計算機；這些基于量子力學(xué)原理的復(fù)雜計算機，雖然邏輯操作不符合一般量子計算的標準，但其行為幾乎不能被經(jīng)典計算機有效模擬。在量子計算領(lǐng)域，一般稱為量子霸權(quán)。

在這個量子霸權(quán)時代，為了促進量子計算機的發(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

實事求是地說，與當代計算機相比，各研究機構(gòu)的量子設(shè)備和量子模擬機的計算能力仍有很大差距。縱觀世界各地的研究機構(gòu)和商業(yè)公司，在物理層面制造量子計算機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算硬件系統(tǒng)成熟之前的必由之路。華為已經(jīng)在量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺取得階段性成果。HiQ云服務(wù)平臺已在2018年華為全聯(lián)系會議上發(fā)布，包括量子計算模擬器和基于模擬器開發(fā)的量子編程框架，基于華為云強大的計算基礎(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)，首次集成糾錯量子電路模擬，可實現(xiàn)數(shù)萬量級量子比特的糾錯電路模擬，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，量子算法的并行計算性能計算性能，增加了兩個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單直觀。

華為量子計算愿景

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

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

量子計算是一種革命性的計算技術(shù)，不同于經(jīng)典計算。它時，量子算法是云計算未來的核心技術(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，加速計算速度。HiQ云服務(wù)平臺的推出標志著量子計算研究和創(chuàng)新的關(guān)鍵一步。未來，華為將繼續(xù)在量子計算領(lǐng)域進行深入的研究和技術(shù)投資。量子計算模擬器堅持開放、合作、共贏的理念HiQ云服務(wù)平臺已向公眾開放，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，促進學(xué)術(shù)突破，盡快實現(xiàn)量子計算技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。