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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(nèi)容，機(jī)器之心進(jìn)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(jī)會和大家相會在上海，一起聊聊量子人工智能。這個領(lǐng)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(yīng)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?！惯@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(xué)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(xué)里的極限。這句話其實表示了極限為零的過程，和計算機(jī)二進(jìn)制是有關(guān)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(fù)這個過程；仔細(xì)觀察你會發(fā)現(xiàn)，實際上這就是二進(jìn)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(xué)、算法優(yōu)化的東西出現(xiàn)。當(dāng)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(dāng)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(guān)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(rèn)知，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(rèn)知世界。在上個世紀(jì)，我們可以看到偉大的物理學(xué)家、量子先驅(qū)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(zhì)必須遵循的物理規(guī)律，狄拉克將量子力學(xué)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(xué)的層面爭論世界本源的問題，而是用物理學(xué)的方法非常嚴(yán)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(xué)規(guī)律給公理化了。量子物理學(xué)被公理化以后，量子物理學(xué)不再局限于物理學(xué)家進(jìn)行研究；其他領(lǐng)域的科學(xué)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(xué)聽起來很玄妙，但是利用精確的數(shù)學(xué)就可以概括描述它。大學(xué)里《線性代數(shù)》的知識就可以用來刻畫量子力學(xué)四條公理。這也是為什么今天我們能夠在這里進(jìn)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(yīng)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(xué)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(dāng)其十進(jìn)制展開可以被一臺機(jī)器所寫出”——這個研究奠定了現(xiàn)代計算機(jī)的理論模型。之后圖靈又提出另外一個問題：「機(jī)器能思考嗎？」圖靈認(rèn)為機(jī)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(rèn)為圖靈是人工智能的創(chuàng)始人。

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

現(xiàn)在，我們把量子和計算理論再次結(jié)合在一起，形成新的理論——量子計算。這個理論可以幫助我們?nèi)ゲ倏亓孔酉到y(tǒng)。以前對于材料的研究中，我們首先用量子力學(xué)原理去確立材料的性質(zhì)，然后預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)；現(xiàn)在我們已經(jīng)不再滿足于這一步。我們希望技術(shù)能夠針對單個量子系統(tǒng)，用量子力學(xué)規(guī)律預(yù)測出完整的性質(zhì)，進(jìn)而完成信息處理任務(wù)。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(jī)擁有更強(qiáng)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(guān)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(guān)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(dá)，那么它必須由量子邏輯才能刻畫。

第二個是技術(shù)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(yīng)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(yīng)。另外，耗電量大的問題也必須要考慮，應(yīng)用量子方法是一個解決的辦法。

第三個是應(yīng)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(xué)反應(yīng)去研究新藥物。這時化學(xué)性質(zhì)的模擬變得很重要。費曼發(fā)現(xiàn)，如果用經(jīng)典計算機(jī)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(zhì)的演化過程。

接下來看一下量子計算技術(shù)的發(fā)展趨勢。在過去幾十年中，量子計算技術(shù)進(jìn)展非?？?。2001 年我剛進(jìn)入這個領(lǐng)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(jī)，科學(xué)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(hù)隱私，作為 AI 發(fā)展的突破口；研究更強(qiáng)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(qiáng)調(diào)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(yuǎn)景目標(biāo)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(yù)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(yīng)用方面主要是密碼安全、人工智能、量子化學(xué)和材料模擬，可以搜索到很多相關(guān)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(wù)，比如計算機(jī)視覺、自然語言處理、語音、自動駕駛，這些業(yè)務(wù)往往需要好的算法、深度學(xué)習(xí)框架。量子人工智能應(yīng)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(biāo)是什么？當(dāng)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(lǐng)域最大任務(wù)是研制出比傳統(tǒng)技術(shù)更好的量子計算方法，進(jìn)而落地應(yīng)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(yīng)該如何應(yīng)對這樣的挑戰(zhàn)？百度做的事情非常簡單：搭建儲備技術(shù)人才軟件平臺、開發(fā)新業(yè)務(wù)，并把我們開發(fā)的技術(shù)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(shù)儲備、量子人才培養(yǎng)以及新量子業(yè)務(wù)探索，建成世界一流的量子人工智能研究機(jī)構(gòu)，從而做好迎接量子計算時代的準(zhǔn)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(gòu)（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(shù)，持續(xù)將相關(guān)量子科技整合到百度的核心業(yè)務(wù)之中，積極探索量子科技創(chuàng)新業(yè)務(wù)。

在量子算法方向，百度希望針對具體任務(wù)設(shè)計高效的量子算法，將經(jīng)典算法設(shè)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(yīng)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(jìn)人工智能的發(fā)展，同時利用現(xiàn)有的人工智能技術(shù)突破量子計算發(fā)展瓶頸，聚焦機(jī)器學(xué)習(xí)、信息安全、區(qū)塊鏈等技術(shù)研發(fā)；在量子架構(gòu)方向，百度希望提供量子基礎(chǔ)架構(gòu)綜合服平臺，用于支撐量子人工智能和量子算法的物理設(shè)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(luò)與因特網(wǎng)、量子和后量子密碼等研究領(lǐng)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(chǔ)設(shè)施即服務(wù) 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(chǔ)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(xué)習(xí)復(fù)雜的量子軟硬件。通過打造量脈、量槳、量易伏三項國內(nèi)領(lǐng)先的量子計算科技成果，百度已成為量子計算領(lǐng)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(gòu)這三塊領(lǐng)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(xué)習(xí)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(shè)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)器學(xué)習(xí)工具集，可加速人工智能技術(shù)與量子計算的深度融合，進(jìn)而有望促進(jìn)量子化學(xué)模擬、新藥研發(fā)、金融等領(lǐng)域的突破進(jìn)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(luò)、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(jìn)行人工智能、組合優(yōu)化、量子化學(xué)方面的量子應(yīng)用研發(fā)。

量易伏（量子易于降伏，Quantum Leaf）作為國內(nèi)首個云原生量子計算平臺，是從應(yīng)用到真機(jī)的一站式量子計算平臺，結(jié)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(nèi)首個接入量子計算真機(jī)的云原生量子計算平臺，提供從應(yīng)用到真機(jī)的一站式量子計算服務(wù)。量易伏通過接入中科院物理研究所的超導(dǎo)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(shù)，帶來了真正企業(yè)級的量子計算開發(fā)環(huán)境，進(jìn)一步彰顯百度量子生態(tài)軟硬實力和構(gòu)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(nèi)首個云原生量子計算平臺。教育科研、人工智能應(yīng)用、化工醫(yī)藥等領(lǐng)域都可以通過該平臺編寫程序。量易伏可以把外部信息轉(zhuǎn)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(xué)分子，也可以用量易伏設(shè)計量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后通過量易伏傳到物理的真機(jī)上，最后通過來回調(diào)用真機(jī)，計算出小分子基態(tài)的能量。目前計算出的結(jié)果和理論值還有一點偏差，相信經(jīng)過后續(xù)不斷改進(jìn)，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(jī)處理大量數(shù)據(jù)，勉勉強(qiáng)強(qiáng)建立一個模型，然后再去分析、最后才得到結(jié)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(guān)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(wù)永遠(yuǎn)至上的準(zhǔn)則。我們希望和硬件供應(yīng)商合作，在硬件方面第一時間進(jìn)行測試合作互聯(lián)，最后達(dá)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(guān)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(qū)。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(yīng)該如何應(yīng)對？在我看來，科學(xué)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(xué)科的背景知識的人才，這是目前最缺的。在應(yīng)用方面，量子會使云計算和 AI 變得更加有活力，還能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。

結(jié)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(zhǔn)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(quán)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(jìn)量子領(lǐng)域的發(fā)展。謝謝大家！