全國首例，量子計算突破!
就在7月10日，中國移動研究院與本源量子官宣，成功實現“基于通用量子計算機真機的算法驗證”，初步結果滿足預期要求。
目前該條信息已在網上引發不少關注，不過，也有網友表示——
沒看懂。
的確，對多數人而言，中移動最大標簽無疑是通信運營商，而前沿科技范疇的量子計算機與他們有怎樣關聯?此次取得的突破又意義何在?
不妨細究一番。
通用量子計算機強在哪?
我們先從概念看起。
量子計算機(Quantum computer)是一種使用量子邏輯進行通用計算的設備。其與傳統計算機不同之處，在于量子計算用來存儲數據的對象是量子比特，靠量子算法來處理數據。
通過利用量子力學效應，例如疊加和量子干涉，量子計算機能夠比傳統計算機更快地解決某些類型的問題。
圖源：Nature
為什么量子計算機運轉速度更快，研究多年大廠IBM給出一個例子解釋：
對于大型蛋白質序列數據庫進行分類任務，經典的超級計算機可能會嘗試用蠻力折疊蛋白質，利用眾多處理器檢查各種可能的化學鏈彎曲方式，然后再得出答案。
但隨著蛋白質序列變得越來越長、越來越復雜，超級計算機就會停止運行。一條由 100 個氨基酸組成的鏈，理論上可以用數萬億種方式中的任何一種方式折疊。沒有哪臺計算機所具有的工作內存足以處理單個折疊的所有可能組合。
相比傳統超級計算機，量子算法采用了一種新方法來解決這些復雜的問題，即創建多維空間。而用于運行多維量子算法的載體，即量子比特。
圖注：量子比特的疊加態可以表示更多信息。來自wiki
落回蛋白質折疊問題，這種模式可能是——所需能量最少的折疊組合，相比之下，經典計算機無法創建這些計算空間，因此它們無法找到這些模式。
而對于蛋白質問題，目前已有早期量子算法，能以更高效的新方式找到折疊模式，而無需像經典計算機那樣費力地執行檢查程序。
圖源：IBM
如果還沒理解，不妨再看看郭光燦院士一段論述：
量子比特可以制備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，換句話講，它可以同時存儲0和1。考慮一個N個物理比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它只能存儲2^N個可能數據當中的任一個。
若它是量子存儲器，則它可以同時存儲2^N個數，而且，隨著N的增加，其存儲信息的能力將指數上升，例如，一個250量子比特的存儲器 (由250個原子構成)可能存儲的數達2^250，比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。
由于數學操作可以同時對存儲器中全部的數據進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2^N個輸入數進行數學運算。
其效果相當于經典計算機重復實施2^N次操作，或者采用2^N個不同處理器實行并行操作。可見，量子計算機可以節省大量的運算資源(如時間、記憶單元等)。
要實現上述原理，子處理器需要在近乎于絕對零度下工作。所以說，盡管量子計算機的處理器并不大，與普通PC芯片尺寸在一個量級，但量子計算機整體卻很大，能塞滿一整個房間。
圖源：本源量子
在IBM的介紹中，量子計算機的應用案例包括了——半導體化學工程、奔馳電池設計，歐洲原子能研究中心也謀求將其應用于希格斯粒子及宇宙起源的相關研究。據本源量子官網介紹，更多應用領域還包括：工程設計、生物化學、大數據、金融科技、人工智能。
那么在通信方面，量子計算機有什么應用?
此次發布中，本源量子軟件中心總監竇猛漢對外介紹，成果針對的是——5G現網中基站大規模天線參數的優化問題。
眾所周知，5G基站典型特點，是引入大規模天線(Massive MIMO)技術，通過對大規模的天線陣列進行部署，可以在無線信道環境允許條件下，大幅提高頻譜效率，節約基站能耗，提升空間利用率。
圖源：5gtechnologyworld
這當中，大規模天線參數優化調整直接關系到5G體驗，技術門檻也不低。
一方面，對比傳統設備的2天線、4天線、8天線相比，采用大規模天線技術的通道數可達32或者64，天線陣子數可做到192、512甚至更高，其增益大大超越傳統設備，相關技術難度也提升不少。
另一方面，是信號覆蓋的維度方面。之前天線主要考慮水平方向的移動，但大規模天線為水平方向和垂直空域的移動，信號的輻射呈電磁波束。
上述兩方面，再結合城區不同環境覆蓋、局部熱點、郊區覆蓋與無線回傳等場景，對配置部署來說，不僅需要新應用所求，更需滿足智能化、低碳化趨勢，優化難度不小。
此次實驗中，本源量子通過有效建模、算法設計和真機驗證，初步證明了量子算法在該類特定問題中的可行性。據稱，此次驗證是全國首個使用量子計算機真機進行通信網絡算法驗證的案例，實現了量子計算應用于通信網絡的良好開局。如此說來，果真是5G也搞”遇事不決量子力學“了。
關于后續在通信領域的應用，中國移動研究院未來研究院院長崔春風在媒體采訪中表示：
相比5G，6G將面臨更大規模業務優化、更大規模網絡優化、更大規模信號處理和機器學習大模型訓練等計算難題，經典計算與算法面臨著巨大壓力。算力強大正是量子計算機的最大特征。當前，全球量子計算正穩步發展，已經在一些高算力需求行業得到試點性應用。
“我們想嘗試從一些典型場景中的小規模問題入手，來評估和驗證量子計算在通信網絡，尤其是6G中的應用可行性。”崔春風說。
科技巨頭押注量子計算
量子計算在近些年越來越火，科技巨頭紛紛加碼。
這當中，IBM算較早布局的企業，近些年亮眼突破也頻出。
2015年，IBM的研究人員就利用2×2的方形量子比特電路，實現了同時發現和測量兩種量子誤差，而這是建造實用量子計算機的關鍵步驟。此后，IBM在2016年開始以云計算服務的形式提供量子計算能力。
2017年底，IBM推出了兩款第二代云端量子處理器，第一款擁有16個量子比特，能夠在云端加快處理速度;第二款的處理能力較第一款再增加一倍，并已設計為商用模型。
2019年，IBM在消費電子展上展示了已開發的世界首款商業化量子計算機——IBM Q System One。
約一個月前，IBM在《Nature》雜志上發表論文，稱量子計算技術已經迎來重大突破，解決了領先超級計算機無法以近似方法解決的復雜問題。
這一成就有望幫助跨學科科學家們以量子計算系統為工具，逐步攻克化學、材料科學、AI等領域的棘手難題。關于落地節點，IBM表示，最快兩年之內，量子計算機就能投入實際應用。
谷歌布局同樣較早。2013年，他們與NASA共同預訂了一臺512量子位的D-Wave Two量子計算機。該計算機并非通用型，而是專為“量子退火”設計。
2019年10月，谷歌官宣實現“量子優越性”，聲稱其“懸鈴木”(Sycamore)量子計算機性能超越了傳統計算機。
有意思的是，IBM隔日便投書稱，該計算機是宣傳性嘩眾取寵產品，運作方式依然沒有超出目前量子科技范圍。IBM還稱，谷歌的成果只是特定條件特定問題下的一種實驗問題結果，而傳統計算機只要更換算法就能達到同樣效果，成本還更低、正確率更高。
不過，就在不久前，谷歌宣布進一步升級了 Sycamore 處理器，該產品是谷歌于2019年發布的量子處理器，在最新發布中，谷歌號稱——其已達到 70 個量子位，其可以在幾秒內完成目前最好的超算需要47年才能完成的計算。
谷歌研究人員在 ArXiv 平臺上發布的一篇預印本論文稱，該公司的最新技術已經“超越了現有經典超級計算機的能力”。
英特爾在量子計算也有涉足。
在CES2018，他們發布了49-qubit量子芯片。公司CEO Brain Krzanich稱其為量子計算領域的重大突破，下一步目標“量子優勢”。
今年6月，英特爾發布包含12個硅自旋量子比特(silicon spin qubit)的全新量子芯片Tunnel Falls，號稱英特爾迄今為止研發的最先進的硅自旋量子比特芯片。
國內量子計算領域也近些年進展頻頻。
2020年12月，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。這一突破使我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優越性(Quantum Supremacy)。
企業布局方面，百度、騰訊、阿里、華為等大廠均沒有錯過風口之外，還涌現了大批創業企業。
本源量子
成立于2017年9月的本源量子，專注于將量子計算推向商用領域，由兩位中國量子計算行業領軍人物——中科院院士郭光燦和中科大教授郭國平，帶領中科院量子信息重點實驗室博士團隊創立。
公開資料顯示，截至目前，本源量子已經創造了多個“第一”——
首款國產量子計算機控制系統、國內首個自主研發的可交付使用的超導量子計算機“本源悟源”、國內首個基于真實量子計算機的超導量子計算云平臺、國內首款量子計算機操作系統“本源司南”、國內首個量子芯片設計工業軟件“本源坤元”等。
玻色量子
成立于2020年11月的玻色量子在北京，是一家研發光量子計算設備的硬科技公司，核心成員來自斯坦福、清華、中科院等院校，且具備多年光量子信息研究經驗。
在技術架構方面，玻色量子采用的方案既不同于Google、IBM等企業著力研發的通用量子計算架構，也不同于以D-Wave公司為代表的專用量子計算架構，而是經典計算機+量子AI的混合計算架構。
目前，玻色量子已經自主研發了光量子計算專用光纖恒溫控制設備“量晷”和光量子測控一體機 “量樞”，并基于自研的異構光路體系架構，研制出第一代光量子計算機硬件產品。在2022年底，玻色量子完成100計算量子比特相干光量子計算機原型機搭建。
圖注：“量晷”與“量樞”
弧光量子
弧光量子成立于2020年，核心團隊來自中國科學院軟件研究所，核心業務包括量子軟件產品及量子計算技術服務，產研范圍覆蓋量子EDA、量子程序開發平臺、量子機器學習平臺、量子測控系統、量子應用等前沿技術領域。
此前，其技術團隊研發了國內首個量子程序設計與驗證平臺“isQ”。isQ集量子程序設計、編譯、驗證、模擬等功能于一體，為未來國產量子軟件發展及國產軟硬結合等項目打下了堅實的基礎。
其中的定理證明器是國際上首個量子程序定理證明器，對量子程序的正確性驗證有十分重要的作用。
華翊量子
華翊量子成立于2022年1月，是國內首家專注于離子阱量子計算技術路線的企業，創始團隊來自清華大學量子信息中心。公司創始人及首席科學家為國際著名量子信息專家、清華大學量子信息中心主任段路明教授。
今年5月，華翊量子正式發布離子阱量子計算第一代商業化原型機HYQ-A37，可提供多達37個量子比特的量子計算能力。HYQ-A37的部分性能指標已達到世界領先水平，綜合來看與目前世界上先進的離子阱量子計算機性能相當。
圖源：高榕資本
啟科量子
據介紹，啟科量子一家兼具量子計算、量子通信核心技術儲備與產品研發能力的企業。
公開資料顯示，該公司一方面專注離子阱量子計算機軟硬件的全棧式開發，在國內率先發布了首臺離子阱量子計算工程機“天算1號”，并推出了可用于線下的物理教學、公眾的科普教育的模擬離子阱量子教學系統。
在2022年自主研發了一套完整的量子軟件體系，包括量子混合云基礎架構層、量子編程框架層和量子應用層，現已與國內金融、生化藥物研發、信息安全等領域的頭部企業建立了合作關系。
另一方面，在量子通信領域，啟科量子可向用戶提供包括量子保密通信終端(QKD)、量子隨機數(QRNG)、密鑰管理、網絡交換/路由、量子服務器、量子網關、移動加密設備、核心組件等20余項產品及解決方案，與通信、云計算、基礎設施建設、能源、信息安全、金融等領域用戶開展合作，構筑信息安全防線。
寫在最后
值得一提的是，運營商近些年也染指了量子計算領域。
這當中，移動可謂頻頻出手，其中包括對華翊量子、玻色量子的戰投，同北郵在量子算法方面的合作，還有與本源量子、啟科量子的產業合作等等。
移動之外，其他運營商也有布局。比如聯通：
再比如電信：
事實上，從去年就有相關研究機構認為，量子計算落地只差臨門一腳。
這當中，一方面是核心硬件相關研究頻出，轉化落地奇點已現。另一方面，相關科研、基礎設施、應用開發及生態也日趨完善。
或許人人用上量子計算機的那一天還早，但是——
量子計算能力飛入尋常百姓家已經離我們不遠。
