量子计算：突破摩尔定律，开启算力新时代

过去一百年，人类有两个伟大的文明突破，一个是计算机的发明，另一个是量子力学的发现。两者均促进人类世界发生跨越式的进步。大约二三十年前，这两个伟大的思想交叉碰撞，发展出量子信息科学。其中，量子计算机的构想，一方面提供了可以突破当前经典计算机物理局限的可能性，另一方面也成为科学工程上前所未有的一大挑战。

摩尔定律的结束也是个开始

计算机是现代人类文明的标志，现代社会对计算资源的需求永无止境。历史告诉我们，计算能力的提升使得社会运行更有效率，也引发出更多意想不到的应用，让我们的生活多姿多彩。

目前，我们普遍使用的计算机的工作原理是基于“经典力学”的框架去设计的，也就是说1就是1，0就是0；可谓见山是山，见水是水。过去数十年间，经典计算机芯片之所以能越做越好，计算能力不断提高，主要原因是优秀的工程师们可以把芯片里面的元件不断缩小。这样，不仅单位大小内可放置的元件增加，而且电流信号从一个元件到另外一个元件的距离减少，逻辑操作就可以被加速了，同时能耗也会减少，一举多得。这个套路，成就了著名的“摩尔定律”，它描述过去几十年时间，工业生产的芯片密度大概每十八个月翻一番的事实。

可是，摩尔定律提出之时，也预示了它失效的日子——因为物理元件不可能无限缩小。我们都知道，所有的物质都由原子组成，到了原子尺度，粒子的行为是按照量子力学规律运行而不再是经典力学，甚至连如何定义1和0也变成一个大问题。

不过，摩尔定律的失效，并不代表人类不断追求更强大计算能力的道路就此终结。借用丘吉尔的名言：“现在不是结束，甚至不是结束的开始。但是，也许，现在是开始的结束。”摩尔定律引领人类到达经典世界和量子世界的边界，跨过去之后，量子计算将会开辟一片新天地。

量子力学让我们意识到，真实的世界，原来有非常多的物理规律是违反直觉的，颠覆了我们对整个世界的认知。在量子世界，很多经典物理学中不存在的物理状态变得可能，比方说，粒子的状态能“同时”代表1和0；真是见山不是山，见水不是水。量子计算的核心思想，就是要以量子力学作为框架，发展出更强大的量子计算机器，让我们重新认识计算的意义；达到见山只是山，见水只是水。

第二次量子革命

凭着量子力学的框架，人类对各种物质的特性有更深刻的认识，产生了不少尖端科技发明。比如，通过认识光的量子特性，研发出激光；通过认识电子的量子特性，研发出芯片；通过认识磁铁的量子特性，研发出核磁共振成像技术，等等。这些通过研究物质的量子特性所引发的技术进步，可归类为第一次量子革命。

随着技术的进步，我们对各种微观系统的调控能力大幅提升；我们不仅能操控一个个原子的行为，甚至可以测量出单个电子产生的电流。这些尖端科技允许我们对量子力学的基本特性进行反复验证，促进第二次的量子革命。

第二次量子革命的特征是需要从量子力学的“本质”去发展新科技。比如说，通过量子叠加原理去发展出量子计算机；通过量子纠缠发展出量子精密测量技术；通过量子不可克隆原理发展出量子加密系统，等等。我们期待着第二次量子革命给人类社会带来多方面的科技突破。

量子计算的潜力

量子计算机的工作原理和经典计算机最大的差异，就是存储和传输数据的基本单元“比特”被替换成“量子比特”。这里，我们利用了量子叠加原理：一个量子比特能“同时”处于0和1两个逻辑状态的线性叠加态；两个量子比特的状态可以同时处于00、01、10、11四个逻辑状态的叠加态；多个量子比特对应的状态可以达到指数增长。量子算法的核心，就是如何利用好这些量子叠加态，来加速计算问题的求解速度。

其中，最著名的量子算法是Shor在1994年发表的大数分解量子算法，其直接威胁到经典计算机网络依赖的加密系统。虽然我们还没有研发出通用的量子计算机，但是Shor算法的出现，已经引起不少网络安全专家的关注。如果某些机构或者个人在五十年后研发出量子计算机，今天我们通过公共领域，比如互联网，发送的所有加密信息，一旦被拦截储存下来，将会被一一破解。于是，量子计算机的构想，促使了网络安全专家去开发能对抗“量子攻击”的新加密方法。

近年来，量子计算的研究已经有不少重大突破，促进了量子计算复杂性的发展。同时，利用量子算法的经验也对经典算法带来冲击。目前已经有不少新的经典算法是通过研究量子算法得到灵感的，体现出量子算法研究的总体价值。

对于未来，研究人员普遍认为，量子计算机在量子化学模拟和人工智能领域中能够大有作为。像过去许多伟大的发明一样，量子计算机一旦研发成功，我们还会找到更多今天意想不到的应用。

量子计算机的多路线之争

其实，量子并不是像电子中子那样的基本粒子，量子比特也不是什么稀缺的物质。量子力学里面的量子是描述在微观世界，物理系统的能量并非连续的事实，这种非连续性被中文翻译成量子。所以，原则上任何量子系统里面的两个能级，只要存在实验手段操控和读出，都可以作为量子比特。

目前，发展相对成熟的系统包括：超导量子器件、量子点、囚禁离子、金刚石色心、核磁共振系统和线性光学系统等。不同物理系统的量子比特有不同的特性。过去，量子计算机的硬件研发，按照不同的路线，各自在同时开展。在一个物理系统中开发出的技术，也有可能在不同的系统上展示。日后量子硬件的发展也有可能是混合不同量子系统，取长补短去提升整体效能，代表着人类科技进步的重大挑战。

量子霸权时代

量子计算机理应是个强大的计算机器。可是，我们还无法从理论上确切证明，量子计算机能“快速”解决经典计算机不能有效解决的问题。比如说，Shor量子算法的计算复杂性虽然比任何已知的经典算法都要低，但是对于大数分解问题，我们并没有排除等效甚至更快的经典算法的存在性。一旦找到这样的经典算法，Shor量子算法的影响力将会大打折扣。

另一方面，在各国政府和企业的大力推动之下，过去几年，在实验室里，量子比特的数目不断增长，同时质量不断提升。对于量子计算的科研人员来说，却是又惊又喜。我们面前需要思考的问题，并不是教科书里面的“理想量子计算机”，而是“准量子计算机”；这些基于量子力学原理运作的复杂计算机器，虽然逻辑操作还没达到通用量子计算的标准，但是它们的行为已经几乎不能被经典计算机有效模拟。在量子计算的领域，一般称之为“量子霸权”。

在这个量子霸权的时代，要推动量子计算机的发展，我们有不少紧迫的任务，包括为这些准量子计算机量身定做量子操作系统、量子算法、量子软件，还有一整套复杂的系统工程。

HiQ量子云服务平台

实事求是地说，各个研究机构的量子设备以及量子模拟机的计算能力，跟当代计算机相比依然有很大差距。纵观全球各研究机构及商业公司，在物理层面上制造量子计算机的主要策略为逐步增加量子比特位数。

在量子计算硬件系统成熟之前，基于量子计算模拟器的量子软件及算法研究是必经之路。华为已经在量子计算模拟器HiQ云服务平台取得阶段性成果。HiQ云服务平台已在2018年华为全联接大会上发布，包括量子计算模拟器与基于模拟器开发的量子编程框架，基于华为云强大的计算基础设施，采用分布式架构、算法优化创新，克服了全振幅模拟器对内存容量和网络带宽时延的挑战，对外提供全振幅模拟和单振幅模拟的云服务。HiQ可模拟全振幅42量子比特以上，单振幅81量子比特（逻辑深度40层）以上，对于低深度电路的单振幅可模拟169量子比特（20层）。这是目前业界领先的量子电路模拟云服务，而且，它首次集成纠错量子电路模拟，可以实现数万量级量子比特的纠错电路模拟，性能是同类模拟器的5-15倍。

华为还首次展示量子编程框架，该框架兼容开源ProjectQ的同时，大幅提升量子算法的并行计算性能，新增两个图形用户界面量子电路编排GUI（Graphical User Interface）和混合编排BlockUI（Block User Interface），使经典-量子混合编程更加简单和直观。

华为量子计算的愿景

多年前，量子计算就被称为是具备颠覆可能性的未来计算技术之一。如果实现指数级别的加速，经典计算机需要耗时上万年的某些计算任务，量子计算机能在几分钟甚至瞬间便可完成。虽然量子计算在硬件、软件、算法、系统等多方面存在技术挑战有待突破，是一个复杂的系统工程；不过，从近年来量子计算领域飞速发展的趋势来看，预计其将有可能在人工智能、药物开发、量子化学、新材料设计以及复杂优化调度等多个方向带来新的革命。

华为在持续关注量子计算机硬件最新进展的同时，也投入研发力量参与部分探索性研究，以推动量子计算机尽快问世。

量子计算是一种不同于经典计算的革命性计算技术。它首先是云计算面向未来的核心技术之一，同时，量子算法为AI算法带来全新的视角，可启发出更好的经典AI算法，加速计算速度。HiQ云服务平台的推出，标志着量子计算的研究和创新迈出关键一步。未来，华为将持续在量子计算领域进行深入研究和技术投入。华为坚持开放、合作、共赢的理念，量子计算模拟器HiQ云服务平台已经对外开放提供云服务，携手广大的开发者、研究人员、高校师生共同创新，推动学术突破，以实现量子计算技术早日产业化。