中国科技巨头的量子战争

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  出品 光子盒研究院

  2017年9月11日,从某种程度上说,是中国量子计算产业化的起点。这一天,本源量子在合肥成立,这是中国第一家量子计算公司。同时,科技巨头阿里巴巴宣布密歇根大学终身教授施尧耘入职阿里巴巴,组建并负责阿里云量子计算实验室(AQL)。

  入职的第一天,施尧耘正在美国飞往中国的路上。1997年从北京大学计算机系毕业后,他在美国一待就是二十年,2001年获得普林斯顿大学博士学位,师从“图灵奖”得主姚期智教授研究量子信息科学。

  施尧耘在理论量子信息科学领域涉猎广泛,并在美国持有与量子科学相关的多项专利。早在2004年,施尧耘获得美国国家科学基金会颁发的“职业成就奖”(Career Award)。

  为了请来这尊“大神”,时任阿里云总裁的胡晓明可谓费尽周折,当他第一次见到施尧耘时就吃了闭门羹。施尧耘态度坚决说出了一个“NO”,原因也很简单,他在学界很快乐。

  但在后来,胡晓明向施尧耘提了一个问题,“如果阿里要做量子计算,有哪些环节?”听到这个问题,施尧耘一下子愣住了。20年来一直在做量子信息科学理论研究的施尧耘,从来没有思考落地应用这样的全局性问题。

  就这样,阿里巴巴希望实现量子计算产业化应用的决心,最终打动了施尧耘。

  自此以后,怀揣与施尧耘同样的梦想,越来越多的海外量子科学家选择回到国内。2018年华为、腾讯、百度相继宣布成立自己的量子计算研发团队,负责人也一一亮相,包括华为的翁文康,腾讯的张胜誉,百度的段润尧。

  一场由科技巨头主导的量子战争正式拉开序幕。

  低调的马云

  低调和马云,看起来是两个完全不搭的词。但在谈论科技时,马云就一改平日里高调的作风了。

  2017年3月9日,阿里巴巴在杭州总部召开了首届技术大会,动员全球两万多名科学家和工程师投身新技术战略。马云宣布,阿里巴巴将启动一项代号“NASA”的计划,储备未来20年的核心科技。

  正当所有人认为马云在说大话时,半年后阿里巴巴达摩院悄然成立,人工智能和量子计算是阿里巴巴押重注的领域,经过一番整合后,施尧耘的量子实验室归在达摩院旗下。

  这是阿里巴巴创建的第二个量子实验室,2015年还曾与中科院一起合作创建了中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室,这个实验室效仿了Google与NASA的合作模式,是中国首个科研机构引入民间资本来全资资助的科学实验室。

  达摩院成立之前,与中科院合作的主要是阿里云,做的是量子计算与云的结合。就在施尧耘入职一个月后的10月11日,中科院-阿里巴巴实验室和本源量子、清华大学NMRCloud团队不约而同地发布了国内第一个量子计算云平台。

  在当天的云栖大会上,阿里巴巴CTO张建锋宣布成立达摩院,计划3年投入1000亿用于新技术研究。施尧耘出席了量子计算云平台的上线仪式,他在台上第一次见到了潘建伟。

  

  左起:中科大教授朱晓波、中科院院士潘建伟、阿里云总裁胡晓明、施尧耘

  这场发布会后,业内开始对阿里巴巴的量子计算寄予厚望。尽管施尧耘被告知3年内没有KPI,但是组建研究团队的重任仍压在他的身上。

  加入阿里巴巴之后,施尧耘跑遍中、美、欧等重要学术机构和研究所,介绍阿里巴巴,交流量子计算的研究心得,寻求学术上的合作伙伴,规划 AQL 发展计划。

  阿里巴巴希望在杭州之外再建一个量子实验室,最终选在了西雅图,亚马逊和微软两大科技巨头坐落于此。这被外界解读为方便施尧耘挖人。

  在西雅图,施尧耘挖来了D-Wave公司的邓纯青。

  邓纯青是施尧耘的北大校友,是加拿大滑铁卢大学量子计算研究所博士,在D-Wave担任高级科学家,领导新一代量子处理器的研发工作。邓纯青的企业研发经历,弥补了施尧耘在产业方面的短板,AQL硬件团队交由邓纯青负责。

  不久后,施尧耘又成功邀请了两次理论计算机最高奖项“哥德尔奖”得主Mario Szegedy加入西雅图的量子实验室。Szegedy在贝尔实验室做过7年博士后,后来任职罗格斯大学计算机科学系教授。

  Szegedy教授研究领域包括量子计算和计算复杂性理论,于2001和2005年两度获得理论计算机领域的最高荣誉哥德尔奖。施尧耘称Szegedy为“我最崇敬的科学家之一”,评价他是“天才式解决问题的高手”。

  2018年初,达摩院量子实验室研究团队基本组建完成。施尧耘给自己定了个期限——五年时间内,实验室要建立量子计算的体系结构,挖掘量子计算机的潜力,要解决经典计算无法解决的一部分问题。

  在施尧耘等科学家的努力下,2018年5月8日,AQL研制出的量子电路模拟器“太章”在全球率先成功模拟了81(9×9)比特40层的作为基准的谷歌随机量子电路,超过了谷歌量子硬件可以实现的规模。

  基于阿里巴巴计算平台在线集群的超强算力,“太章”能将整个模拟任务均衡分解为不同的子任务、并将它们分配到不同计算节点上,这使得它能完成目前所有超级计算机都无法完成的模拟。

  

  “太章”模拟的随机量子电路规模(黑线)与谷歌量子硬件可以实现的规模(红线) 比较

  与国外科技巨头相比,阿里巴巴在算法方面齐头并进,但在硬件方面处于落后的地位。国外IBM和Google在物理上已经实现50个以上的量子比特。

  为了追赶领头羊,阿里巴巴在硬件方面下了非常大的功夫,用硬件团队负责人邓纯青的话说就是“死磕硬件”。

  终于在2019年9月,阿里巴巴达摩院院长张建锋宣布AQL完成了第一个可控的量子比特的研发工作,该比特的设计、制备和测量全部是自主完成,这表明达摩院在超导量子芯片的研发上已经具备了全链路的能力。

  阿里巴巴希望推进量子计算从理论到工程落地,并探索量子计算与云计算、人工智能、基础物理、材料、化学等学科结合的无限潜力。

  尽管距离这个目标很远,但阿里巴巴在量子计算方面的布局,已经引起了国内其他科技巨头的警觉。

  奋进的华为

  或许是阿里巴巴发布量子计算云平台让华为有了危机感,华为在2017年的《创新研究计划公开项目》中首次提到了其在超导量子计算、量子算法方向的研究规划。

  2018年初,华为就开始着手组建量子计算研发团队,华为中央研究院数据中心技术实验室邀请了南方科技大学物理系副教授翁文康,担任量子计算软件与算法首席科学家。

  翁文康早年毕业于香港中文大学物理系,硕士期间,在加州理工学院学习关于量子信息理论的基础,还受邀请到英国牛津大学参加量子信息的研发项目。2004年赴伊利诺伊大学攻读博士,师从诺贝尔奖获得者Anthony Leggett教授。

  博士毕业后,翁文康在哈佛大学进行有关量子信息和物理化学的博士后研究工作,他开发出VQE量子化学模拟算法,被Google和IBM等企业广泛采用。2013年9月回国并在清华大学交叉信息研究院任职助理教授。

  2016年1月,翁文康开始任职南方科技大学物理系副教授,参与建设深圳量子科学与工程研究院。或许有地缘上的原因,翁文康最终加盟了华为。到华为后,他主导量子算法、量子人工智能、量子模拟等领域的前沿研究和技术创新。

  2018年10月12日,华为在全联接大会上发布了量子计算模拟器HiQ云服务平台,迈出在量子计算上的第一步。尤其是选在阿里巴巴发布量子计算云平台一周年的日子亮相,可谓意味深长。

  华为HiQ平台,包括量子计算模拟器与基于模拟器开发的量子编程框架。平台集成了多个模拟器,既支持单振幅,也支持全振幅。

  其中,HiQ可模拟全振幅42量子比特以上,单振幅81量子比特以上,对于低深度电路的单振幅可模拟169量子比特,而且,它首次集成纠错量子电路模拟,可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。

  

  翁文康介绍HiQ平台

  在此基础上,2019年6月翁文康团队研制了华为昆仑量子计算模拟一体机原型,采用HiQ编程架构,搭载量子计算模拟器和昆仑服务器9032。据称,单台昆仑量子计算模拟一体机可实现全振幅模拟40量子比特、单振福模拟最大144量子比特(22层)的性能表现。

  有别于阿里巴巴,华为对于量子计算能否解决实际问题或者产生商业价值,更加急切。或许这与华为的企业文化有关,2018年任正非提出了一个“沿途下蛋”的概念,尽管没有特指哪一领域,但华为在量子计算上就是这样做的。

  在HUAWEI CONNECT 2019大会上,华为发布了HiQ 2.0量子计算软件解决方案,推出业界首个一站式VQE量子化学模拟云服务,助力量子化学应用研究。

  相较于HiQ 1.0版本,此次HiQ2.0版本推出了业界首个一站式量子化学应用云服务及对应的软件包 HiQ Fermion,新增云端脉冲优化设计服务及对应的HiQ Pulse软件包。

  通过华为自研的算法优化、线路压缩等核心技术,量子软件包HiQ Fermion可使量子电路参数降低80%,线路深度压缩至70%,运行速度提高1600倍以上,并可在华为云上实现目前业界最大规模的VQE量子化学模拟。

  此次推出的HiQ量子模拟云服务,助力量子计算的开发者在药物、能源、材料等拓展应用场景,而华为的终极目标是实现专用计算机。

  

  华为布局量子化学+量子调控

  翁文康介绍,目前华为正在进行量子计算的研究,包括量子计算基本原理、实验仪器、计算架构、不同路线的电路设计、电路QED、容错计算、商用机会等。华为要做的几乎是整个产业链,彰显了华为在量子计算上的巨大野心。

  转型的腾讯

  腾讯第一次和量子计算联系是在2017年初,当时牛津大学的量子物理博士葛凌以腾讯欧洲首席代表身份加入腾讯。不过真正开始量子计算的研究,是在2018年1月腾讯量子实验室成立之后。

  腾讯找来了施尧耘的同门师弟张胜誉,负责搭建并领导腾讯量子实验室。

  张胜誉的履历几乎完美,本科毕业于复旦大学数学系,硕士毕业于清华大学计算机系,博士毕业于普林斯顿大学计算机系,师从姚期智教授。博士毕业后,在加州理工学院跟随John Preskill教授(提出了“量子霸权”的概念)做博士后研究。不到40岁成为香港中文大学终身教授。

  腾讯为什么要做量子计算?这个要从腾讯的转型说起。2018年,腾讯在C端业务增长放缓的情况下,开始转型B端业务。为此,腾讯提出了用“ABC2.0”技术布局(AI、RoBotics、Quantum Computing),构建面向未来的基础设施,探索推动以技术服务B端实体产业。

  目前来看,腾讯侧重于从量子AI入手,首先进入化学和药物研发这一领域。

  在量子AI理论上,腾讯量子实验室与外部科学家Iordanis Kerenidis合作,针对神经网络中最基本的前馈网络,研发了第一个有可证明的量子加速算法,将经典算法中与网络连接数成正比的复杂度,提高至与网络节点数成正比的量子算法复杂度。

  这是一个“平方级”的效率提升,对人脑这一“终极神经网络”,该算法效率的提升是经典算法的7000倍。同时,该算法对量子计算机的精确度要求不高,适用于中短期量子计算机的应用。

  腾讯量子实验室在小分子药物发现流程中引入AI模型,用量子性质的计算和判别、生成与强化学习的机器学习模型,帮助传统药物研发流程升级,提高药物研发效率。

  同时,实验室利用腾讯云的算力计算和发布了Alchemy数据库,该数据库包含超20万个分子的量化性质。在此之前,学术界使用最为广泛的预测分子量化性质数据库QM9共包含13万个分子。

  2019年5月22日,在腾讯全球数字生态大会量子技术分论坛上,腾讯量子实验室向外界展示了上述研究成果。此外,张胜誉还宣布了Simhub云计算平台规划。

  

  腾讯量子实验室负责人张胜誉

  根据腾讯的规划,Simhub 云平台是开发者和用户开放交流的中心。Simhub云计算平台的工作流程集测试、计算、发布于一体,极大地提高了生态合作伙伴的协作效率。未来Simhub云平台将应用于药物研发的云上服务、量子化学计算、分子模拟以及AI模型开发。

  作为后来者,腾讯量子计算尚在起步阶段,但整个团队目标明确,布局不像阿里巴巴、华为那样广泛,把眼光聚焦在量子AI和量子化学上,争取一步一个脚印,每一步都走扎实。

  豪赌的百度

  如今的百度,尽管在体量上已经不能跟腾讯、阿里巴巴、华为相提并论,但在推动技术进步方面,百度仍是不容忽视的一股力量。

  2017年1月17日,百度宣布前微软执行副总裁陆奇加盟担任百度集团总裁和COO。彼时百度正处在“魏则西事件”等舆论危机,O2O业务下滑,2016年财报整体净利润锐减的境遇。陆奇被寄予百度转型的重担。

  陆奇上任后,提出了“All in AI”的口号,开启百度转型之路。虽然2014年百度就找来了吴恩达负责Baidu Brain计划,但真正的All in AI是从这时候开始的。在百度只剩下搜索这一块业务的情况下,All in AI被认为是百度的豪赌。

  在百度集团设立的六大事业群中,除了主营传统的索引擎服务的搜索公司,其余各部门都是AI战略的一部分。

  人工智能让百度在2017年出尽了风头。在《最强大脑》舞台上由吴恩达带着“小度”打败公认的最强大脑“水哥”王昱珩,李彦宏坐着自家的无人驾驶汽车上五环被交警警告……

  

  李彦宏体验无人驾驶

  吴恩达在2017年10月离职,对百度来说是个不小的打击,但在All in AI一年后,百度也交出了一份“不丢人”的答卷:全球首款L4自动驾驶巴士“阿波龙”量产下线;发布中国第一款全功能云端AI芯片“昆仑”;发布百度大脑3.0;推出百度智能小程序。

  All in AI的百度为什么还要做量子计算?这是因为在经典计算机算力可能出现瓶颈的背景下,人工智能的发展也将受到限制,对百度来说,量子计算是AI战略上的重要一环。

  于是在2018年3月,百度宣布成立量子计算研究所,致力于量子计算软件和信息技术应用业务研究,由悉尼科技大学量子软件与信息中心主任段润尧教授担任研究所所长。

  段润尧于2006年在清华大学计算机系获得博士学位,10多年来一直从事量子计算和量子信息技术研究。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。

  段润尧表示,将全力推动”百度量子、量子百度”的研究规划,计划五年时间里在百度组建世界一流的量子计算研究所,并在之后五年将量子计算逐渐融入百度的业务中来。

  然而,一切都存在变数。2018年7月陆奇的离开让百度市值下跌,人员架构变动,AI业务成果迟迟未能体现在财报中。之后,百度再没有提过All in AI的口号。2019年除了在智能音箱市场高歌猛进,百度几乎没有任何关于AI技术落地的消息。

  AI战略的放缓也影响到了百度的量子计算,段润尧提出的五年期限已经过去了两年,百度在量子计算上仍没有实质的成果。目前,业界公认制造实用的量子计算至少需要十年,百度有耐心等到那一天吗?

  1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”,公众号名称正源于此。

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