“量子计算的产业化还需要三大基础:钱、时间和人才。每一台量子计算机都十分烧钱,钱和时间都是有限的,人才还不能速成,很多高校里甚至都没有量子计算专业和正常培养的渠道”,百度量子计算研究所所长段润尧,在8月26日举办的《AI呀,我去!》科技沙龙上表示。他同时强调,尽管从量子技术到量子产业之间有着巨大的鸿沟,但如果能够跨越这条鸿沟,新的量子革命将会到来。

 

段润尧表示,“有将近70%的大型企业希望能够进行量子计算相关的布局,这种布局不一定是直接用量子计算来解决实际业务,但是企业希望做好量子人才或技术的相关储备。”

 

IDC报告显示,全球量子计算市场将从2020年的4.12亿美元增长到2027年的86亿美元,6年复合年增长率超过50%。“开发者、科技公司、科研机构等每一个组织都做好自己擅长的事情,才能够构建成一个健康的量子生态。”段润尧称。

 


百度量子计算研究所所长  段润尧


“玄学”量子计算——产业化的三大挑战

 

“万物都是由量子构成的,我们天天生活在量子的世界,但是又感受不到量子。同样的,量子计算让很多人一头雾水,它却能够在信息安全、药物研发等领域有着魔法般的计算能力和应用价值”,段润尧指出了量子计算的“玄妙”之处。

 

曾几何时,量子力学成为了人们口中的“玄学”——“遇事不决,量子力学。”而利用量子力学原理进行有效计算的量子计算,正在引领新一轮科技发展的浪潮。

 

在 IBM、谷歌和百度、阿里等国内外科技公司的大力布局下,量子计算的技术不断突破。不过,量子计算从实验室走向产业化,仍存在巨大的鸿沟:

 

首先,量子计算还处于早期的发展阶段,量子计算的价值需要逐步实现;其次,现阶段量子计算领域的量子硬件和量子服务割裂,量子算力难以转化为用户触手可及的量子服务;第三,量子计算的学科交叉性,使得量子计算的产业化需要聚合多个领域的科研人员、开发者以及合作伙伴持续不懈努力。


百度揭秘量子计算中国的产业尝试

 

区别于谷歌、IBM的量子计算技术路线,百度积极研发面向产业化的超导量子计算机。8月25日,百度发布了“乾始”超导量子计算机,和全球首个全平台量子软硬一体化解决方案“量羲”。

 

一块量子芯片、一套极低温测试系统便构成了一台超导量子计算机的核心,看似十分简单,但是威力无穷。



百度超导量子计算机“乾始”

 

为什么需要量子计算机?段润尧表示,量子计算是后摩尔时代的必由之路。随着量子设备性能的快速提升,量子优势的逐步体现,以及量子应用的潜在市场的快速增长,软硬一体的量子解决方案有助于更多行业人员使用到量子算力,利用量子计算加速产业的量子化升级。

 

 

据了解,量子计算机最大的特点便是“算得快”,并且还不是一般的快——它有着经典计算机无法比拟的运算速度。段润尧以信息安全领域公钥加密算法RSA为例介绍称,传统计算机需要200万亿年,而量子计算机只需要几分钟就可以轻松完成。

 

“乾始”是百度自主研发的超导量子计算机。依托于业界领先的量子计算核心技术,研发出集 “应用、软件、硬件” 三位一体的工业级超导量子计算机,让量子计算算力触手可及。通过对高潜量子应用、云原生量子软件平台、量子硬件平台等自主可控核心技术的高度集成,乾始将极大地推动量子软硬一体化方案的实施和落地,加速量子计算的产业化进程。

 


 

 

量子硬件平台

 

量子硬件平台是百度量子计算机的核心组成部分,为量子应用和量子平台的实践和落地提供了重要支撑。该平台实现了对稀释制冷机、微波电子学设备、高性能服务器、量子芯片等核心设备,以及自研工业级测控平台量脉的高度集成,具备自主可控、安全稳定、高度自动化等核心优势。

 

瞄准高性能超导量子计算机的研发目标,百度自主开发了以自动化、可视化为特色的的测控平台——量脉。受益于量子测控技术的持续积累(核心发明专利 30 余项),量脉集成了量子计算实验中完备的功能,使得实验人员能够高效地进行测控操作;为了大幅提升量子芯片标定、校准和优化效率,百度研发了自动化标定功能,可以自动完成各种复杂任务的标定和校准,实现无人值守;此外,脉冲编译功能可以将量子应用高效编译成量子硬件设备可识别的脉冲信号,实现量子应用和量子硬件的无缝衔接,极大地提升整个量子计算的效率。据了解,百度将持续研发各种测控技术,打造面向产业化的量子硬件平台。

 

量子芯片是超导量子计算机的重要构成,其性能会直接影响到整个量子计算机的性能和效率。与经典芯片设计类似,量子芯片设计就是在正式“流片”之前,根据特定需求对量子芯片的架构、规格、核心器件构型和布局、以及布线等等,进行设计、仿真验证、和绘制,最终生成用于微纳加工的量子芯片版图。百度聚焦于设计具有业界核心竞争力的超导量子芯片,提供版图设计、自动化布线、特征参数和性能指标仿真验证为一体的实用化量子芯片解决方案。

 

受益于超导量子芯片技术的持续积累(核心发明专利 20 余项),百度量子具备了从芯片设计到仿真验证再到版图自动化绘制的一整套技术,最终开发出 gds 掩模版文件直接对接微纳加工实验室。

 

作为落地实践案例,百度近期完成一款 36-qubit 含耦合器超导量子芯片的设计,经多种方法交叉仿真验证,关键特征参数和性能指标达到预期。

 

 

量子软件平台

 

量子软件平台帮助从量子硬件中抽调量子算力用于支撑量子应用的研发与展示。百度量子软件平台已经打通了从量子应用开发,量子算法协议设计,量子资源调度管理,量子噪声处理,量子硬件驱动等全流程。

 

据称,百度发布了全球首个云量一体的量子机器学习平台“量桨”、全球首个接入量子硬件的量子网络工具集“QNET”、量子计算应用工具集“QAPP”,满足不同行业方向对量子算法和量子应用的设计需求;全球首个云原生量子计算平台“量易伏”,实现超导量子计算机、离子阱量子计算机等多后端算力接入,同时具备自有硬件和第三方硬件接入能力,移动端、桌面端等多前端使用模式,让量子算力触手可及;国内首个量子噪声处理工具集“QEP”,全面评估量子设备性能,提升量子设备的计算结果精度;国内首个云上量子脉冲系统“量脉”,搭建量子软硬件的桥梁。


量子计算积极探索产业落地

 

段润尧认为,“乾始”和“量羲”率先打通了量子硬件、量子软件和量子应用,实现了量子算力到生产力的转化,量子计算产业落地“最后一公里”问题有望获得突破。同时,各类量子芯片也可以做到“即插即用”,让用户更低门槛、更便捷地获得量子算力,做到“人人皆可量子”。
 

 

那么,量子计算具体有哪些应用?段润尧表示,量子应用就是指使用量子计算机的计算能力来部署相关服务,以解决实际的应用问题。目前量子计算的应用主要包括量子模拟、组合优化、量子机器学习等方向,旨在探索分子化学、药物研发、量化金融、交通规划、人工智能、和密码安全等领域潜在的解决方案。

 

依托于百度自身的技术积累和百度量子计算研究所的科研实力,百度量子在人工智能、材料模拟、生物计算、金融科技等多个关键行业问题上进行了探索和突破,在量子应用方面提供了量子机器学习工具集“量桨”、量子应用工具集“QAPP”、量子网络工具集“QNET ”这三个专注于前沿研究和应用落地的工具集。

 

这三个工具包均与量易伏相连,可以通过量易伏平台访问真实量子计算机,借助量子算力赋能人工智能、化工医药、智能制造、量子网络等应用方向。同时,这些工具集也可以在经典计算机上运行,用户可以首先使用 CPU 或 GPU 的算力设计、研发量子算法原型,并模拟运行以调试算法。

 

随着产业链上下游企业的加入,目前,围绕量子计算的产业生态已经初具雏形,量子计算正在变得触手可及。“为实现‘人人皆可量子’的美好愿景,百度选择把复杂留给自己,把简单留给用户。”段润尧称。下一步,百度量子将致力于为企业提供制定相应策略、完善解决方案、适时投入资金部署等一系列开源的方案,并赋能人工智能、能源、制造、金融、交通等多个领域,让普通人也可以享受美好的量子时代。