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以下為段潤堯在 WAIC 2021 AI 開發(fā)者論壇上的演講內容，機器之心進行了不改變原意的編輯、整理：

各位親愛的開發(fā)者朋友，大家下午好！今天非常高興有這個機會和大家相會在上海，一起聊聊量子人工智能。這個領域聽起來好像很玄妙，但其實已經(jīng)發(fā)展了很長時間。今天，我希望為大家介紹量子人工智能基本理論背后的一些思考和應用實踐。

讓我們從熟悉的地方開始講起。

「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」這樣一件簡單的事情，不僅體現(xiàn)了惠子和莊子的辯論，也體現(xiàn)了智能。這是邏輯學上的辯論：如何以難以辯駁的論據(jù)駁倒對方？

我提起這個例子，很大程度上是因為想到了數(shù)學里的極限。這句話其實表示了極限為零的過程，和計算機二進制是有關系的。如果把一個小木棍二等分，然后取一個小段再二等分，之后一直重復這個過程；仔細觀察你會發(fā)現(xiàn)，實際上這就是二進制的表示。繼續(xù)往下推演，你會發(fā)現(xiàn)木棍形狀可以是不規(guī)則的，這時就會變成微積分的切割，變成了如何把一個立體的東西切成兩塊的問題。之后可能還會考慮怎么切得公平、快速、精確，這時候開始有工程學、算法優(yōu)化的東西出現(xiàn)。當然，你也可以選擇用這個想法搞個切棰子的游戲…… 所以說，這句話會帶來非常豐富的想象。

但當這個東西切到切無可切的時候，這個東西還存在嗎？答案是存在。那它遵循什么規(guī)律呢？古代的人只能去辯論，而現(xiàn)代人則會思考關于量子的事情。

我有一個不成熟的意見，那就是「切一棰而知天下」?！扒幸婚ⅰ崩锩嫣N含了智能、人工以及量子。

現(xiàn)代的人對于事情的認知，已經(jīng)遠遠不止剛才所講的辯論；實際上，人們已經(jīng)能夠從最根本的層面認知世界。在上個世紀，我們可以看到偉大的物理學家、量子先驅們的不懈努力：1900 年普朗克發(fā)現(xiàn)能量需要量子化，愛因斯坦提出光量子，波爾提出氫原子軌道離散化。再接著，德布羅意提出波粒二象性，海森堡、薛定諤建立了微觀世界的物質必須遵循的物理規(guī)律，狄拉克將量子力學與狹義相對論統(tǒng)一起來。這些成就使人們不僅僅只是在哲學的層面爭論世界本源的問題，而是用物理學的方法非常嚴格地研究這些問題。

后來，馮諾伊曼和希爾伯特把整個物理學規(guī)律給公理化了。量子物理學被公理化以后，量子物理學不再局限于物理學家進行研究；其他領域的科學家以及各個行業(yè)的人都可以去研究。實際上，雖然量子力學聽起來很玄妙，但是利用精確的數(shù)學就可以概括描述它。大學里《線性代數(shù)》的知識就可以用來刻畫量子力學四條公理。這也是為什么今天我們能夠在這里進行討論，而不是像古人那樣只限于辯論。

今天我們能夠聚在這里共同探討，還應該感謝圖靈。圖靈在二十幾歲時提出「什么樣的問題是可計算的？」并建立精確的數(shù)學模型用于回答這個問題。

“根據(jù)我的定義，一個數(shù)是可計算的僅當其十進制展開可以被一臺機器所寫出”——這個研究奠定了現(xiàn)代計算機的理論模型。之后圖靈又提出另外一個問題：「機器能思考嗎？」圖靈認為機器也可以有所謂的智能，也會有獨特的思考方式。所以，業(yè)界普遍認為圖靈是人工智能的創(chuàng)始人。

量子和計算，這兩個東西結合在一起會出現(xiàn)什么？歷史證明，量子力學產(chǎn)生了巨大的革命效應。芯片、激光、原子彈、晶體管、核磁共振等等技術都是依據(jù)量子力學原理開發(fā)的。

現(xiàn)在，我們把量子和計算理論再次結合在一起，形成新的理論——量子計算。這個理論可以幫助我們去操控量子系統(tǒng)。以前對于材料的研究中，我們首先用量子力學原理去確立材料的性質，然后預測材料的結構；現(xiàn)在我們已經(jīng)不再滿足于這一步。我們希望技術能夠針對單個量子系統(tǒng)，用量子力學規(guī)律預測出完整的性質，進而完成信息處理任務。這個事情為什么有意義？因為在量子世界里有非常多特性，比如疊加態(tài)、糾纏態(tài)等；這些特性可以使計算機擁有更強大的信息處理能力。

為什么我們需要量子計算？下面我將從三個方面闡述量子計算出現(xiàn)的必然性。

第一個是邏輯上的必然性。經(jīng)典邏輯為什么要去關心量子邏輯？因為在經(jīng)典邏輯層面已經(jīng)不可避免要面對量子問題。

這個問題是什么？舉個例子，考慮經(jīng)典邏輯中的 “與或非” 操作?！阜恰咕褪禽斎?0 輸出 1，輸入 1 輸出 0 的操作。我們可以把這個操作看成一個黑盒，這個黑盒的作用是不可分割的；這個操作本身也是物理過程。

蘭道爾說過“信息的處理都是物理過程”，而只要是物理過程都遵循這個規(guī)律。因此，我們可以把看似不可分割的過程看成多個物理過程組合在一起，這時要求兩個物理可實現(xiàn)操作的組合和邏輯「非」門等效。最后，你會發(fā)現(xiàn)沒有任何一個經(jīng)典邏輯操作能滿足這個關系。

我們要解決這樣一個困局：物理理論中存在，但經(jīng)典邏輯中找不到，怎么辦？這時需要引入矩陣思維去思考這個問題。引入虛數(shù)的概念，這個操作就是一個量子邏輯門的操作。其實，這個 R 是個量子邏輯門，它在物理理論中存在，但是不能被經(jīng)典邏輯表達，那么它必須由量子邏輯才能刻畫。

第二個是技術上的必然性。芯片的尺寸越來越小，現(xiàn)在已經(jīng)小到一納米，電子隧穿效應會越來越明顯。在這種微觀層面，已經(jīng)沒有辦法延續(xù)經(jīng)典摩爾定律。所以，我們必須考慮量子效應。另外，耗電量大的問題也必須要考慮，應用量子方法是一個解決的辦法。

第三個是應用上的必然性。我們知道，生病了就要吃藥，藥是大分子，我們可以做一些化學反應去研究新藥物。這時化學性質的模擬變得很重要。費曼發(fā)現(xiàn)，如果用經(jīng)典計算機去模擬量子系統(tǒng)，通常需要消耗指數(shù)級別的時間，效率非常低下。打個比方，一個擁有 50 個量子比特的系統(tǒng)，記錄該系統(tǒng)狀態(tài)信息所需要的存儲量是現(xiàn)在所有存儲量的數(shù)倍。所以，只能考慮用量子模型去模擬。量子模型幾乎可以模擬自然界中所有物質的演化過程。

接下來看一下量子計算技術的發(fā)展趨勢。在過去幾十年中，量子計算技術進展非?？?。2001 年我剛進入這個領域，那個時候還沒有能夠造出一兩個量子比特的操作；現(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠制造一百個量子比特規(guī)模的量子計算機，科學家們也展示了量子計算的各種優(yōu)勢。

從這個意義層面來說，量子是我們在后摩爾時代的必由之路。我們可以用量子保護隱私，作為 AI 發(fā)展的突破口；研究更強大算力的算法需要量子；最終，我們希望得到一個可以完全超越經(jīng)典的解決方案的全新量子解決方案。

需要強調的是，量子計算已上升為國家戰(zhàn)略，量子科技的發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局已經(jīng)變成非常重要的方向?！丁笆奈濉币?guī)劃和 2035 遠景目標綱要》中提出，要把量子信息作為三架馬車之一。從海外來看，許多國家已經(jīng)在量子計算方面有很大投入。另一方面，量子計算市場未來可期。從圖中可以看出，根據(jù)綜合信息得出來的預測顯示，量子計算市場基本是呈指數(shù)增長趨勢。

量子計算的應用方面主要是密碼安全、人工智能、量子化學和材料模擬，可以搜索到很多相關的新聞報道。

量子計算和人工智能正在深度融合。很多大家很熟悉的人工智能業(yè)務，比如計算機視覺、自然語言處理、語音、自動駕駛，這些業(yè)務往往需要好的算法、深度學習框架。量子人工智能應運而生，在算法、框架和硬件三個層面起到節(jié)約資源和加速的效果。 

量子人工智能的近期目標是什么？當前，我們只有中等規(guī)模量子硬件，還沒有大規(guī)模量子硬件；我們還有一些近期量子算法能夠有指數(shù)的加速。今后五到十年期間，量子人工智能領域最大任務是研制出比傳統(tǒng)技術更好的量子計算方法，進而落地應用。

百度做的事情

最后，我很榮幸向大家介紹一下百度在量子計算方面做了什么。量子計算這樣一個革命時代即將來臨，作為一家企業(yè)，應該如何應對這樣的挑戰(zhàn)？百度做的事情非常簡單：搭建儲備技術人才軟件平臺、開發(fā)新業(yè)務，并把我們開發(fā)的技術提供給所有開發(fā)者、合作伙伴使用。

編者注：2018 年 3 月 8 日，百度成立量子計算研究所，段潤堯博士成為研究所所長。研究所以實現(xiàn) “百度量子，量子百度” 為使命，以 “人人皆可量子” 為愿景，致力于廣泛開展量子技術儲備、量子人才培養(yǎng)以及新量子業(yè)務探索，建成世界一流的量子人工智能研究機構，從而做好迎接量子計算時代的準備。為此，段潤堯博士制訂了 QAAA 戰(zhàn)略規(guī)劃：聚焦量子算法（Quantum Algorithm）、量子人工智能（Quantum AI）和量子架構（Quantum Architecture）三個核心方向，并在研發(fā)過程中不斷利用量子計算賦能百度核心技術，持續(xù)將相關量子科技整合到百度的核心業(yè)務之中，積極探索量子科技創(chuàng)新業(yè)務。

在量子算法方向，百度希望針對具體任務設計高效的量子算法，將經(jīng)典算法設計及分析理論推廣到量子情形，優(yōu)化現(xiàn)有量子經(jīng)典算法，確定現(xiàn)有算法的可行性與局限性，聚焦于量子搜索、量子模擬、量子安全計算等應用；在量子人工智能方向，百度希望利用量子計算的信息處理優(yōu)勢促進人工智能的發(fā)展，同時利用現(xiàn)有的人工智能技術突破量子計算發(fā)展瓶頸，聚焦機器學習、信息安全、區(qū)塊鏈等技術研發(fā)；在量子架構方向，百度希望提供量子基礎架構綜合服平臺，用于支撐量子人工智能和量子算法的物理設備實現(xiàn)，聚焦量子硬件接口、分布式量子信息處理、統(tǒng)一編程平臺、量子網(wǎng)絡與因特網(wǎng)、量子和后量子密碼等研究領域。

圍繞 QAAA 規(guī)劃，百度已建成了以量脈、量槳、量易伏三大項目為主體的百度量子平臺（Baidu Quantum Platform），旨在提供全面的量子基礎設施即服務 QaaS（Quantum Infrastructure as a Service），追逐 “人人皆可量子” 的愿景。百度量子平臺提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎所需的大量軟件工具以及接口，百度希望這一平臺扮演量子計算時代操作系統(tǒng)的角色。開發(fā)者和合作伙伴可以通過這一平臺實現(xiàn)量子計算對行業(yè)的賦能，不再需要針對性接觸和學習復雜的量子軟硬件。通過打造量脈、量槳、量易伏三項國內領先的量子計算科技成果，百度已成為量子計算領域的先行者。

現(xiàn)階段百度主要聚集在算法、量子人工智能和架構這三塊領域。作為成果，我們已經(jīng)推出的百度量子平臺，就是圍繞這三個方面。比如量槳是人工智能和深度學習的連接橋梁；量脈是量子控制的云平臺；最重要的是量易伏，該平臺可以幫助開發(fā)者朋友更加便捷的使用量子計算資源。

很高興向大家重磅推出百度量子全景圖，從算法設計到量子環(huán)境部署再到到量子軟硬件接口，已經(jīng)有一整套系統(tǒng)的框架。剛才說的量脈、量槳、量易伏在其中扮演著很重要的角色。

編者注：量脈（Quanlse）是脈沖級別量子控制云平臺，通過云計算為量子控制提供專業(yè)與高效的解決方案，提供了高效的量子軟硬件接口，為近期量子應用的實現(xiàn)提供了有力保障。量脈最新升級至 2.0 版本，重點研發(fā)了多量子比特含噪模擬器，用于仿真超導量子芯片，新增誤差表征和噪聲緩釋模塊助力提升量子計算精度，成為了同時支持超導電路、離子阱、核磁共振三類量子硬件的量子控制平臺。

量槳（Paddle Quantum）是量子機器學習工具集，可加速人工智能技術與量子計算的深度融合，進而有望促進量子化學模擬、新藥研發(fā)、金融等領域的突破進展。量槳最新升級至 2.1 版本，運行效率平均提升 20%，通過前沿的量子神經(jīng)網(wǎng)絡、LOCCNet、量子核方法、含噪量子電路模擬等模塊，開發(fā)者們可以在量槳上便捷地進行人工智能、組合優(yōu)化、量子化學方面的量子應用研發(fā)。

量易伏（量子易于降伏，Quantum Leaf）作為國內首個云原生量子計算平臺，是從應用到真機的一站式量子計算平臺，結合原生云計算和量子計算優(yōu)勢，承載量子計算需求和出口，是開啟量子計算時代的鑰匙。最近，量易伏重磅升級至 2.0 版本，成為國內首個接入量子計算真機的云原生量子計算平臺，提供從應用到真機的一站式量子計算服務。量易伏通過接入中科院物理研究所的超導量子比特芯片，以及諸如混合語言支持、QCompute SDK（量子軟件開發(fā)工具集）、云上量子 IDE（集成開發(fā)環(huán)境）、自動化模塊工作流等技術，帶來了真正企業(yè)級的量子計算開發(fā)環(huán)境，進一步彰顯百度量子生態(tài)軟硬實力和構建生態(tài)上下游能力，使得人人皆可使用到量子計算的能力。

量易伏是國內首個云原生量子計算平臺。教育科研、人工智能應用、化工醫(yī)藥等領域都可以通過該平臺編寫程序。量易伏可以把外部信息轉換成量子硬件可接受的指令；同時還會提供各式各樣的編程方式。開發(fā)者朋友可以在線編程，可以用經(jīng)典和量子混雜的方式編程。該平臺適合所有開發(fā)者。

最近我們和中科院物理所一起合作，實現(xiàn)了量易伏和他們的量子芯片的對接。所有開發(fā)者都可以利用量易伏平臺，在他們的量子芯片上運行量子程序。

光說不練假把式，我們非常歡迎大家可以自己嘗試一下。舉個例子，我們用量易伏寫了一個程序，這個程序可以用來計算化學分子，也可以用量易伏設計量子神經(jīng)網(wǎng)絡，然后通過量易伏傳到物理的真機上，最后通過來回調用真機，計算出小分子基態(tài)的能量。目前計算出的結果和理論值還有一點偏差，相信經(jīng)過后續(xù)不斷改進，偏差會逐漸縮小。

這個事情意義何在？我們想象一下，如果是以前，想知道一個分子的基態(tài)度會怎么做？一定是到實驗室做各類實驗，收集各種數(shù)據(jù)，之后用經(jīng)典計算機處理大量數(shù)據(jù)，勉勉強強建立一個模型，然后再去分析、最后才得到結果；而現(xiàn)在，程序員朋友只要在自己電腦上敲幾下代碼，發(fā)個指令就可以算出來。這是革命性的計算方式，這是最激動人心的地方。我們后面也會持續(xù)推出新的量子計算平臺，希望大家關注。

最后和大家介紹一下百度量子生態(tài)。百度量子生態(tài)是非常開放的生態(tài)，我們希望百度量子生態(tài)能夠可持續(xù)地發(fā)展，秉承給開發(fā)者朋友、用戶、客戶提供服務永遠至上的準則。我們希望和硬件供應商合作，在硬件方面第一時間進行測試合作互聯(lián)，最后達到共贏；也希望和科研院所以各種方式開展科研合作。同時我們也在持續(xù)支持相關的國際會議，如 QIP 等。我們還有像 Artur Ekert 這樣的頂級顧問，Artur 是量子密碼的共同發(fā)明人，也是量子計算的先驅。通過這樣的方式，我們由衷希望通過百度量子生態(tài)和大家一起共同發(fā)展。

展望

最后展望一下量子科技之星。量子科技其實挑戰(zhàn)很大，我們應該如何應對？在我看來，科學研究方面需要系統(tǒng)布局，而量子科技人才隊伍的培養(yǎng)勢在必行。具有交叉學科的背景知識的人才，這是目前最缺的。在應用方面，量子會使云計算和 AI 變得更加有活力，還能夠促進產(chǎn)業(yè)升級。

結語

我相信對每一個企業(yè)都面臨這樣的問題：如何在量子時代做好準備，如何開發(fā)新的東西？

清朝末年有一個小說很有名，講的是女性怎么通過努力爭取權利的，這本書叫《黃繡球》。小說里有句話就是「前人栽樹，后人乘涼」。所以在這里，我放了一張樹的照片：這是一棵九千多歲的樹，它的年齡是用量子方法測出來的。巴菲特說過「之所以現(xiàn)在我們可以在樹底下乘涼，是因為很久以前有人在這種了一棵樹」。我覺得人人皆可量子，而現(xiàn)在正是種量子樹的黃金季節(jié)。百度希望和大家攜手，一起推進量子領域的發(fā)展。謝謝大家！