2023年的CES(消費電子展),IBM在展臺上拿出了一個巨型的裝置。華貴如一座中世紀鐘表,通體金色又富有棱角的質感又像極了某種珍貴的天然礦石。

這個裝置實體的背后的確有一座富礦,IBM把它命名為Q System One——世界上第一個完全集成科學和商業用途的通用量子計算機系統。一個幾乎與經典計算機平行的概念。

那次CES舉辦的前后,段潤堯正在北京準備一次量子力學的科普演講。這個領域的所有人都一定關注到了IBM這件精密如藝術品般的裝置。

美國在量子技術領域的領先位置無可爭議,IBM是那顆皇冠上的明珠。Q System One讓IBM成為量子計算的規則制定者,作為百度量子計算領域的負責人,段潤堯已經將自研量子計算機提上日程。

“乾始”

2023年8月25日,北京亦莊,百度云計算園區。

受邀來參觀的人群在換上防塵服后,走進了一間實驗室。眼前是一個與IBM極為相似的裝置放在里面,并且已經投入正常運轉。

這是百度的量子實驗室,也是這座超導量子計算機第一次對外公開。段潤堯和他的團隊是這臺裝置的研發者,看得出他非常高興,在向眾人講解運行原理的時候開了個玩笑,“你們聽這屋子里這么吵,因為這裝置很費電,這都是錢的聲音。”

后摩爾時代,電子隧穿效應愈發明顯,量子效應是面對高耗電和經典摩爾定律遇阻時不得不考慮的出路,量子技術上的任何進展都是錢所無法衡量的。

百度量子實驗室的開放,讓外界終于有機會近距離觀察這個超導量子計算機中的經典裝置。

這是“量子計算”這個極抽象的概念最為具像化的一次呈現。一臺超導量子計算機的核心,是一塊量子芯片,和一個量子低溫系統。

低溫系統要為量子芯片創造一個無限接近“絕對零度”的環境——零下273.15度。

在極度低溫的環境下,某些物質會發生電阻降為零的陡峭性質變化。在微觀角度上,粒子會下降到可能的最低能量狀態。這導致它們會以一種不尋常的集體方式運動,單個粒子不能再被碰撞或推離那個較低的狀態,這意味著它們將毫無阻力地流動,成為超導體。

超導體也因此成為為數不多的具有量子化能級、疊加態和糾纏等量子特性的宏觀器件。這種具有宏觀量子特性的器件為實現超導量子計算與組建超導量子計算機打下了硬件基礎,一直以來,超導量子計算被視為最有可能實現普世量子計算機的體系。

芯片是百度自研的,一塊包含10個量子比特的超導量子芯片。這臺超導量子計算機取名“乾始”, “天生萬物”的意思。

“萬物”大概指的是未來基于乾始所可能誕生的量子軟件或者應用程序。參觀環節結束后,下午會有一場量子開發者大會。百度的這臺量子計算機比IBM、阿里巴巴出現的都要晚,但它從一開始就是奔著產業化去的。

在軟件與硬件之間,百度準備了一個叫“量脈”的接口。這是一個基于云計算的量子控制平臺,用云服務和開源SDK來為量子控制提供手段。

在軟件層面,百度推出了全球首個云原生量子計算平臺“量易伏”,如果將乾始看作一個主機,量易伏就是一個前端的操作系統。這個操作系統在上周作為一個應用程序在iOS和安卓平臺中上線,用戶可以在量易伏上編程,并選擇在量子模擬器或量子計算機上運行量子程序。

百度在2023年研發出了量脈,隔年推出量易伏(并未開放下載),直到現在乾始作為硬件的公開,一條清晰的從軟件到硬件的道路顯現出來。量子計算先驅、量子密碼學的共同發明者Artur Ekert看來,百度在量子計算上的發展思路十分扎實。

大師門生

Artur Ekert自2023年7月開始擔任百度研究院顧問委員會委員,就在那一年前,段潤堯離開悉尼科技大學進入百度。從清華到悉尼科技大學,段潤堯的學術生涯一直師從量子計算領域的大師應明生,應明生在進程代數中的拓撲和量子程序的Floyd-Hoare邏輯方面貢獻卓越。

《紐約時報》曾在2023年的一篇報道中提到,全球真正的量子計算科研人員只有幾千人,中國量子計算領域起步較晚,可以想象人數會更少。這是個門檻極高的研究領域,能踏進來的人范圍很窄。

而當下的活躍者,背后的脈絡繞不開應明生和姚期智。

姚期智在2000年獲得了中國至今唯一的圖靈獎。2002年他回國來到復旦,與國內的計算機領域學者交流,當時作為清華大學計算機系導師教授的應明生將自己組里的學生打包送去上海,其中包括孫曉明和張勝譽。

兩人與姚期智在學術研究上的交集由此開始,之后孫曉明成為姚期智在清華指導的第一位博士生,幾年后進入中國科學院計算技術研究所擔任研究員。張勝譽則作為姚期智在普林斯頓的“關門弟子”赴美留學。

施堯耘同樣師從姚期智,是張勝譽在普林斯頓時期的同門。姚期智在2011年赴清華開設交叉信息研究院,翁文康在兩年后回國,2023年進入清華交叉信息研究院任職助理教授。段潤堯則是孫曉明是清華時期的師兄弟,都曾師從應明生。

段潤堯、張勝譽、施堯耘和翁文康,現在分別是百度、騰訊、阿里巴巴以及華為的量子實驗室負責人——未來中國在量子技術在產業化上最核心的四家公司。

不確定性之外的普世價值

像是某種巧合,師從量子計算理論研究領域大牛的四人先后從學界跳出投身產界。與其他學科不同,量子計算領域的顯著特點是其優越性會隨著規模擴大而呈指數性的增長,這意味著對于產業化的考慮必須是前置的。

另一方面,行業內部的感知是,量子計算的發展也已經到了產業突破的臨界點上。

從“懸鈴木”到“祖沖之號”,在量子優越性上持續顛覆前者的量子計算原型機已經相繼出現,而隨著人類對量子比特的同時掌控數量能夠穩定的達到100個以上,人工智能、密碼安全等前沿領域的實際應用將會得到大幅度的推進——目前人類對量子比特的控制水平已經達到100個。

“到2031年,全球量子計算直接相關的產業規模可以達到8千億元。另一方面,最近也有調研表明,重大企業中有將近70%都希望能夠進行量子計算相關的布局”,段潤堯提到了這兩個數字,外界對量子計算的感知漸強也在回應乾始的出現。

乾始和量易伏成為百度推出全球首個全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”的最后兩塊拼圖。“量羲”集量子硬件、量子軟件、量子應用于一體,成為一個模塊化的量子計算開發工具箱,并且提供移動端、PC端、云端等在內的全平臺使用方式。這一從應用入口到硬件控制的全流程打通,對于段潤堯來說也是兌現了一份4年前的答卷。

百度、阿里巴巴、騰訊以及華為曾在2023年的中國計算機大會(CNCC)上有過一次同臺。彼時百度量子計算研究所剛剛成立一年,段潤堯在那時已表達了對于“統一編程平臺”和“硬件接口”的關注。

從這個角度看,百度從進入量子計算領域開始就站在一個相對終局的視角上。這條路長遠來看收益更大,也有更多的不確定性。

目前學界將量子計算的發展分為三個階段。

第一階段的目標是實現量子計算優越性。即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機,這一目標已經有美國、中國和加拿大先后達到。

第二階段的目標是實現專用的量子模擬機,可以應用于組合優化量子化學、機器學習等特定問題,來指導材料設計、藥物開發等。達到這一階段,按照目前的估計還需要5到10年,是當前學術界主要的研究任務。

第三階段是在實現量子糾錯的基礎上,構建可編程通用量子計算機。由于技術上的難度,何時實現通用量子計算機尚未明確。

“學術界一般認為還需要15年至20年,甚至更長的時間”,中國科學院院士、“墨子號”首席科學家潘建偉表示。

這意味著乾始或者類似的通用量子計算機未來可能會長時間卡在一個外界看來粗糙或者無法解決實際問題的尷尬階段。

對此,段潤堯也表示,乾始的意義不只在于去追求某些指標拿到業界第一,而是希望量子計算這件事能盡可能的普世化,讓更多人形成認知,盡管這意味著可能無法體現這臺量子計算機的全部性能。

這也是為什么百度開放上線了量易伏這個量子編程平臺——大家都搞不懂量子計算,不如先玩玩看。這是百度務實的地方。

“21年前我在清華園里追隨我的教授開始從事量子計算研究時,怎么也想不到今天也許一個高中生,甚至一個小學生,只要會寫程序,就能通過我們的云端訪問量子計算機。在幾秒鐘里通過手機上或者電腦完成當時一個頂尖團隊、頂尖的實驗物理學家花了數月或者數年都沒有完成的實驗”, 段潤堯談到量易伏時有些感慨。

“因為量子效應不可思議,所以最好的辦法就是去實踐,然后去接受它。 ”