百度段润尧:量子架构——机遇与挑战

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人工智能论坛如今浩如烟海,有硬货、有干货的讲座却百里挑一。“AI未来说·青年学术论坛”系列讲座由中国科学院大学主办,百度全力支持,读芯术作为合作自媒体。承办单位为中国科学院大学学生会,协办单位为中国科学院计算所研究生会、网络中心研究生会、人工智能学院学生会、化学工程学院学生会、公共政策与管理学院学生会、微电子学院学生会。“AI未来说·青年学术论坛”第五期“量子计算”专场已于2019年5月18日下午在中科院举行。百度段润尧教授为大家带来报告《量子架构:机遇与挑战》。

 

段润尧,百度研究院量子计算研究所所长、悉尼科技大学终身教授、澳大利亚研究理事会(ARC)Future Fellow。本科与博士分别于2002和2006年毕业于清华大学计算机系。主要从事量子计算和量子信息技术研究,于2016年与Andreas Winter合作,首次给出图论中著名的Lovásznumber自1979年以来完整的信息论解释。曾获微软学者(2005),清华大学研究生十大学术新秀、清华大学优秀博士毕业生等称号,以及优秀博士学位论文一等奖、中国计算机学会(CCF)首届优秀博士学位论文奖(2006)、澳大利亚研究理事会(ARC) FutureFellowship(2012)等奖项。2016年9月15日起担任悉尼科技大学量子软件和信息中心(UTS:QSI)首任主任,2018年3月7日起担任百度量子计算研究所所长。

 

报告内容:量子架构(Quantum Architecture) 旨在提供Quantum infrastructure as a Service (QaaS) 的综合服务平台。它承载经典世界操控量子硬件的入口,支撑量子算法和量子人工智能应用,是通往普适量子计算的必经之路。近年来,随着量子算法和硬件技术的持续突破,有关量子架构的研究也被提到了极为重要的位置。本次报告,从统一编程平台、量子硬件接口、分布式信息处理、量子因特网、以及量子和后量子密码五大方向阐述了量子架构所面临的巨大机遇与严峻挑战。

 

量子架构:机遇与挑战

 

 

段润尧老师首先引用了图灵奖得主姚期智教授于2018年8月在上海参加“墨⼦论坛”提出的观点:未来(Future)=人工智能(AI)+量子计算(QC),即F=AQ,作为报告的开场。鼓励大家对量子力学领域要有信心,同时也以“大道至简,知易行难”告诫大家当真正开始对这一领域进行研究时,会发现不是一件容易的事。

 

接着简单介绍了量子力学的一些概念和发展。整个人本身就是一个智能体,提出一个问题,经过思考,然后回答问题,但这一过程是怎样的却无人知晓。1936年图灵提出的计算模型,将人类的思考过程变成了一个实际的物理计算过程:即准备一串输入,经电子元器件运算,得到计算结果。为了更进一步探究人类智慧的来源,于是用量子力学取代,使得计算通过操控实际物理系统实现,从而遵循相应物理规律。而量子力学经过多年实验和理论摸索,最终也就可以有四条基本公设,可概括为:状态空间、时间演化、量子测量、复合系统。

 

然后他从费曼物理学讲义中的“原子的假设:世界万物均由原子构成“讲起,谈到了量子力学的两次革命以及量子计算。其中第一次量子革命是指量子力学的建立以及相关原理的直接应用,包括原子弹、核磁共振、激光、以及晶体管等。现在我们进入了一个新的阶段,即第二次量子革命,目标是能实现量子状态和量子系统的精准制备和调控,最终造出宏观的量子计算机。研究的内容包括将量子计算、量子通信、量子加密以及量子测量等,其中量子计算将量子力学和计算理论结合,充分利用了量子的叠加、纠缠、干涉等特性,从而展现出了强大的计算能力。

 

量子计算的技术发展趋势主要有四个阶段:后摩尔时代的必由之路、全新的安全隐私保护机制、挖掘AI发展的突破口以及超越经典计算力的系统性解决方案。在上述发展趋势下,现有的算法、硬件、公司和软件以及国家战略等方面都取得了一些进展。比如现有的算法一方面由于算力不够,需要更强大的计算设备,另一方面从算法本身出发,需要更完善的算法,因而出现了一些量子算法,能够可靠地在20多个的量子比特上进行计算,同时50-70多个量子比特的芯片也正在测试之中,未来希望达到数百个量子比特的应用。而通用的量子计算实现可能还需要10年以上。国内外许多大型公司都在进军这一领域,包括微软、IBM、Google、亚马逊以及国内的BATH等。量子计算领域现阶段可做的事情很多,我们最重要的使命则有两个方面:首先是做好迎接量子计算时代的准备,与此同时还需要开发出新的量子应用。

 

然后他指出了量子计算目前非常值得关注的三大关键研究方向,包括量子算法、量子人工智能和量子架构。量子算法是量子优势得以发挥的根本,需要企业与高校研究院所合作。量子人工智能是未来产品落地应用的杀手锏,需要与传统业务部门合作共赢。量子架构沟通软硬件,支撑关键业务,是构建生态的核心,需要链接现代研究与未来应用。

 

量子架构旨在提供Quantum infrastructure as a Service (QaaS) 综合服务平台,主要包括5个方向:统一编程平台 (Unified ProgrammingPlatform)、分布式量子信息处理(DistributedQuantum Information Processing)、量子硬件接口(Quantum Hardware Interface)、量子网络和因特网(Quantum Network and Internet)以及量子和后量子密码(Quantum and PostQuantum Crypto)。为此,百度提出了全栈式云架构下的多端量子计算平台架构,并在规划构建一个有效、开放、可持续发展的量子生态系统。

 

紧接着,段润尧老师对5个方向分别进行了详细介绍。统一编程平台的任务是研究探索无缝的经典-量子架构的实践方法以及定制相关测试集和业界标准,制定标准很大的挑战在于处理量子的特性,比如赋值语句“x=y”:当x和y为量子变量时是非法的,违背量子不可克隆定理;当y为常量(态)时却是合法的,描述量子态制备过程。分布式信息处理则有利于发挥量子纠缠在分布式情况下的优势。量子硬件接口需要我们设计一个好的接口,解决硬件错误和噪声等问题,使得程序最终能真正实现。量子网络,旨在实现像因特网一样的互联网络,并在此基础上提供分布式量子计算、量子云计算等服务。后量子密码则旨在设计抗量子攻击的保密协议,把现有的保密方法替换成对抗量子计算机攻击的方法,保障数据安全。

 

最后,段润尧老师总结了应对挑战和抓住机遇的三个要素:人才,需要具备交叉学科技能;资金,用于加大对量子算法、体系架构、实际应用研发的投入;耐心,这是一场信息革命,没有人可以置身事外。他同时引用英国伟大的实验物理学家法拉第花费十年时间发现电磁感应现象的过程来说明量子计算过程也同样需要一个漫长的探索过程。更多精彩内容请关注视频分享。