系列報(bào)導(dǎo)之①
去年五一檔的大熱影片《流浪月球2》不僅承載了人們對(duì)于未來(lái)社會(huì)的向往與幻想，更為重要的是，它顯露了當(dāng)下科學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)進(jìn)程。其中，貫串全片的智能量子計(jì)算機(jī)MOSS深受矚目。憑著強(qiáng)悍的算力和自我意識(shí)，它還能融合調(diào)度多種復(fù)雜的估算資源，讓數(shù)萬(wàn)座行星底盤(pán)協(xié)同運(yùn)作，以滿足“數(shù)字生命”計(jì)劃的須要。這樣的量子計(jì)算機(jī)，真的只存在于懸疑連續(xù)劇中嗎？
事實(shí)上，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，量子估算正逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，逐漸應(yīng)用到網(wǎng)路信息安全、大數(shù)據(jù)和人工智能、化學(xué)生物藥業(yè)、金融工程、智能制造等領(lǐng)域，將在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。在阿姆斯特丹學(xué)院攻讀量子信息學(xué)博士研究生的陳然在接受南都記者專訪時(shí)表示，“一旦我們對(duì)量子比特的制備和控制達(dá)到一定精度，它能夠形成遠(yuǎn)小于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的估算能力。”
這是一門在大部份人看來(lái)非常具象、難以理解的學(xué)科。陳然直言，“量子技術(shù)研究有太多反直覺(jué)、反常識(shí)的東西。我在理解量子的過(guò)程中，也犯了好多錯(cuò)誤。學(xué)習(xí)量子技術(shù)是一個(gè)不斷推翻自己的過(guò)程量子通訊設(shè)備，須要多思索。”未來(lái)，量子技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)帶來(lái)更多的應(yīng)用機(jī)遇，陳然希望，假以時(shí)日，自己參與的量子技術(shù)研究，才能真正地派上用場(chǎng)，在社會(huì)上發(fā)揮它的價(jià)值。
百度自研的乾始超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部視圖，受訪者提供。
量子熱學(xué)最難的是理解公式背后的數(shù)學(xué)含意
量子技術(shù)是量子化學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展上去的新學(xué)科，包括量子通訊和量子估算、量子傳感器等領(lǐng)域。量子通訊主要研究量子密碼、量子隱型傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通訊的技術(shù)等等；量子估算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適宜于量子計(jì)算機(jī)的量子算法。
陳然與量子技術(shù)的初次接觸，來(lái)自他的專科專業(yè)密碼學(xué)。假如說(shuō)，傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)是基于物理的數(shù)字的組合，量子密碼技術(shù)就是基于數(shù)學(xué)學(xué)的光子和量子熱學(xué)的研究原理產(chǎn)生的一種密碼技術(shù)，其不確定性和無(wú)規(guī)律性，讓量子密碼比傳統(tǒng)密碼更難被破譯。
研究者習(xí)慣用這樣一個(gè)反例來(lái)描述量子技術(shù)在密碼學(xué)中起到的作用：傳統(tǒng)意義上，兩個(gè)人共享一把秘鑰，為相互之間的通訊加密，但這永遠(yuǎn)沒(méi)法防范有第三方中間人監(jiān)聽(tīng)信息的風(fēng)險(xiǎn)。而量子熱學(xué)的不可克隆性（未能在不破壞原有信息的基礎(chǔ)上復(fù)制信息）能保證通訊安全性——使通訊的雙方才能形成并分享一個(gè)隨機(jī)的、安全的秘鑰，拿來(lái)加密和揭秘消息。一旦有第三方中間人企圖對(duì)秘鑰做分發(fā)監(jiān)聽(tīng)，通訊的雙方便會(huì)察覺(jué)，導(dǎo)致高誤分辨率，進(jìn)而使監(jiān)聽(tīng)被發(fā)覺(jué)。
“這也是我當(dāng)時(shí)接觸量子密碼學(xué)時(shí)看到的第一個(gè)案例，當(dāng)時(shí)我就感覺(jué)十分神奇。”這令陳然形成興趣：“量子技術(shù)可以提供更強(qiáng)的算力以及更安全的加密算法，實(shí)現(xiàn)原先無(wú)論怎樣做不到的事情。很想了解背后是哪些機(jī)理。”
對(duì)于這樣一門在大部份人看來(lái)非常具象、難以理解的學(xué)科，陳然在學(xué)習(xí)期間遇見(jiàn)過(guò)最大的挑戰(zhàn)，是怎樣去理解物理公式背后的數(shù)學(xué)模型和含意。“有關(guān)量子估算或則量子信息的這一套理論，描述量子熱學(xué)的規(guī)律，每一條都可以用物理公式十分優(yōu)美地寫(xiě)下來(lái)，但它的物理解釋，或則說(shuō)公式背后的化學(xué)意義，在理解過(guò)程中容易犯好多錯(cuò)。”于是，在校期間，他通過(guò)與朋友、老師交流研討，參與各類講堂、論壇，來(lái)糾正之前錯(cuò)誤的認(rèn)知，對(duì)量子科學(xué)的理解也得以進(jìn)一步推進(jìn)。
為了讓理論學(xué)習(xí)和實(shí)際項(xiàng)目就能更好結(jié)合，2020年，陳然加入百度量子估算研究所，在深入學(xué)習(xí)“量子糾纏”“量子疊加態(tài)”原理的同時(shí)，有機(jī)會(huì)參與到一些具體項(xiàng)目中，通過(guò)量槳、量易伏做一些小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)展示量子算法的優(yōu)越性。
“實(shí)習(xí)和我在中學(xué)做研究一個(gè)最大的不同，就是可以用到真正的量子計(jì)算機(jī)。”陳然說(shuō)，由于在中學(xué)更多時(shí)侯只能逗留在理論研究，不用考慮量子計(jì)算機(jī)具體是如何運(yùn)行的，可以假定它就是一個(gè)完美的機(jī)器。但實(shí)際使用時(shí)，它會(huì)出現(xiàn)各類問(wèn)題，須要校正、需要調(diào)試。“量子計(jì)算機(jī)十分脆弱，它的噪音十分大。有時(shí)侯給它一些很復(fù)雜的估算任務(wù)，它也會(huì)錯(cuò)得十分離譜。所以我們就是要特別當(dāng)心，在用的過(guò)程中須要不斷改善自己的算法。”
盡管陳然早已領(lǐng)到心儀的博士投檔通知書(shū)奔赴法國(guó)繼續(xù)攻讀量子信息的博士學(xué)位，但通過(guò)百度研制的量易伏手機(jī)端APP，陳然和廣大用戶不管身處何地，都還能通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程聯(lián)接上百度自研的“乾始”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和合作單位提供的其它類型量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地調(diào)用量子算力，讓“人人皆可量子”這一目標(biāo)成為一件觸手可及的事。
量子技術(shù)令手機(jī)驗(yàn)證碼生成“真隨機(jī)數(shù)”
量子估算是一種遵守量子熱學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行估算的新型估算模式，這些原理促使量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)最基本的信息單元是量子比特。隨著量子比特?cái)?shù)量的降低，對(duì)于n個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2^n種可能狀態(tài)的疊加，配合量子熱學(xué)演變的并行性，可以凸顯比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的處理速率。
我們每晚每時(shí)每刻都可能在和量子接觸。就拿大眾最熟悉的手機(jī)驗(yàn)證、圖像處理等來(lái)說(shuō)，每每我們注冊(cè)登入網(wǎng)站核對(duì)身分信息，輸入手機(jī)驗(yàn)證碼（隨機(jī)數(shù)）都是繞不過(guò)的一步。隨機(jī)數(shù)已成為信息時(shí)代的一種重要基礎(chǔ)資源。通常來(lái)說(shuō)，數(shù)字的隨機(jī)性保證了合同的安全性。但有多少人曉得，我們?nèi)缃窨谥械摹半S機(jī)數(shù)”，實(shí)際上并非真隨機(jī)？
“現(xiàn)在所有的隨機(jī)數(shù)都是算法生成的。”陳然說(shuō)，“實(shí)際上，隨機(jī)數(shù)都是由算法來(lái)生成的，數(shù)字之間并非完全無(wú)關(guān)。從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)你找到了隨機(jī)數(shù)生成的規(guī)律，你就可以預(yù)測(cè)之后出現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)。”換句話說(shuō)，隨機(jī)數(shù)也存在被破解的可能。但借助量子化學(xué)原理，卻可以形成具有內(nèi)稟隨機(jī)性的真隨機(jī)數(shù)，幾次出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)的結(jié)果，相互之間完全獨(dú)立，沒(méi)有任何關(guān)系，也找不到方式預(yù)測(cè)或破解。
這就意味著，借助量子力學(xué)特點(diǎn)的生成隨機(jī)數(shù)，合同的安全性會(huì)得到進(jìn)一步的提升。這也為科學(xué)仿真、密碼學(xué)等領(lǐng)域提供了極大的推動(dòng)。基于這一原理所發(fā)明的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器因具有不可預(yù)測(cè)性、不可重復(fù)性和無(wú)偏性等特點(diǎn)，成為量子通訊系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心元件。
圖象辨識(shí)也是量子技術(shù)最緊貼實(shí)際生活的應(yīng)用前景，具體場(chǎng)景包括人臉辨識(shí)、自動(dòng)駕駛辨識(shí)路障、醫(yī)學(xué)圖象處理（CT判定癥狀）、AI作圖等。再者還有量子模擬，也就是用量子計(jì)算機(jī)去模擬一個(gè)分子、原子，因而得悉分子、原子的一些例如能量、化學(xué)勢(shì)等性質(zhì)。“將量子技術(shù)應(yīng)用于這種場(chǎng)景，早已被理論驗(yàn)證是可行的。”陳然說(shuō)。
“在應(yīng)對(duì)海量的數(shù)據(jù)處理與剖析需求時(shí)量子通訊設(shè)備，傳統(tǒng)的圖象辨識(shí)技術(shù)經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)性能方面的問(wèn)題，假如要辨識(shí)內(nèi)容好多、圖片很大，要專業(yè)芯片處理，都會(huì)消耗掉好多估算資源。”陳然解釋，“因?yàn)榱孔颖忍馗浔忍夭煌梢蕴幱?和1的疊加態(tài)，包含更多的信息，也具有更強(qiáng)悍、更高效的信息處理能力。如今實(shí)現(xiàn)高精度的圖象辨識(shí)須要大量的估算資源，并且用極少的量子比特就可以達(dá)到同樣的精度。”
量子技術(shù)快速發(fā)展，將會(huì)帶來(lái)更多的應(yīng)用機(jī)遇
在陳然看來(lái)，雖然量子技術(shù)是一門產(chǎn)生已久的學(xué)科，但早年間仍然處于“坐冷板凳”的階段，“大家不理解這個(gè)概念，也不曉得它有哪些用，直至2011年前后量子通訊技術(shù)取得了突破，量子的概念才火上去。2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，第一次真正把量子科學(xué)帶到了大眾的面前。”
2022年，有關(guān)量子糾纏理論的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)，令這門前沿技術(shù)得到前所未有的話題討論熱度。在博士求學(xué)期間主要研究量子糾纏的陳然，這樣理解他眼中的“量子糾纏”：“其實(shí)就是很強(qiáng)烈的一種關(guān)聯(lián)，可以理解為趕超了時(shí)間和空間，不管兩個(gè)人分隔多么遠(yuǎn)，都可以讓兩束光發(fā)生量子糾纏，而且保持這些狀態(tài)——如果我對(duì)我手上的光子作出一個(gè)操作改變，這么不管兩個(gè)人距離多遠(yuǎn)，我都可以立即曉得對(duì)方手上的光子將會(huì)發(fā)生何種變化。”
當(dāng)前，受限于硬件水平，學(xué)界對(duì)于量子的研究更多逗留在實(shí)驗(yàn)室階段。陳然直言，“現(xiàn)在量子比特的制造工藝還很不成熟，十幾個(gè)量子比特的造價(jià)也遠(yuǎn)低于千萬(wàn)個(gè)精典比特。所以我們的工作更像是展示了量子估算的潛力：一旦我們對(duì)量子比特的制備和控制達(dá)到一定精度，他還能形成遠(yuǎn)小于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的估算能力。”
量子技術(shù)被視為三大最重要的前沿?cái)?shù)字技術(shù)之一，已成為各國(guó)爭(zhēng)相投入布局的重要領(lǐng)域和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。在我國(guó)，量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等多次被納入頂樓綱要規(guī)劃中。諸如《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確：重點(diǎn)布局下一代聯(lián)通通訊技術(shù)、量子信息等新型技術(shù)，促進(jìn)信息、生物、材料、能源等領(lǐng)域技術(shù)融合和群體性突破。2022年12月的中央經(jīng)濟(jì)工作大會(huì)強(qiáng)調(diào)，推動(dòng)新能源、人工智能、生物制造、綠色低碳、量子估算等前沿技術(shù)研制和應(yīng)用推廣。
百度量子技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展背后是高質(zhì)量專利的多年積累和強(qiáng)力支撐。目前，百度量子相關(guān)國(guó)外專利申請(qǐng)的公開(kāi)量早已超過(guò)170件，囊括量子算法與應(yīng)用、量子通訊與網(wǎng)路、量子加密與安全、量子構(gòu)架與軟件、量子芯片與硬件、量子測(cè)控與糾錯(cuò)等多個(gè)方向核心專利。
依托于百度人工智能（AI）生態(tài)和高質(zhì)量量子專利布局，百度已組建上海人工智能產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)營(yíng)運(yùn)中心量子估算中心，聚焦量子產(chǎn)業(yè)，以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)量子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，促使量子領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)產(chǎn)業(yè)化落地，推動(dòng)量子產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)調(diào)發(fā)展和融合創(chuàng)新，加速實(shí)現(xiàn)“量子產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)量子化”。
百度自研的乾始超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部視圖，受訪者提供。
有業(yè)內(nèi)人士強(qiáng)調(diào)，就量子技術(shù)從理論到現(xiàn)實(shí)的進(jìn)展而言，近些年來(lái)實(shí)用量子元件和技術(shù)的發(fā)展取得了重大進(jìn)展。量子技術(shù)借助量子的奇特現(xiàn)象來(lái)創(chuàng)造新的技術(shù)和設(shè)備，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，在估算、通信、傳感、模擬等領(lǐng)域都有望形成重大影響。雖然要充分實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的潛力還有好多工作要做，好多工程或則技術(shù)上的困難須要克服，但已有一些量子設(shè)備和技術(shù)可以商業(yè)化或接近商業(yè)化，成為應(yīng)用的關(guān)鍵曙光。
陳然覺(jué)得，“未來(lái)1~2年，量子技術(shù)快速發(fā)展，將會(huì)帶來(lái)更多的應(yīng)用機(jī)遇，也會(huì)催生更多這一領(lǐng)域新興的創(chuàng)業(yè)公司。可能等我結(jié)業(yè)的時(shí)侯，如今看來(lái)還難以落地的場(chǎng)景早已才能落地了。”他希望，假以時(shí)日，自己參與的量子技術(shù)研究，才能真正地派上用場(chǎng)，在社會(huì)上發(fā)揮它的價(jià)值，“我也很期待見(jiàn)證量子技術(shù)在指導(dǎo)、解決具體實(shí)際問(wèn)題時(shí)，能有多好用。”
采寫(xiě)：南都記者傅曉羚