机器心脏编辑部

在WAIC 2021 AI开发者论坛上，百度研究院量子计算研究所所长尹耀发表了主题演讲《量子人工智能：从理论到实践》。在演讲中，段润尧阐述了量子计算的理论基础，对量子人工智能的发展现状和发展趋势进行了讨论和展望，并介绍了百度在量子人工智能方向的理论和实践探索以及取得的成果。

以下是段润尧在WAIC 2021 AI开发者论坛上的演讲内容，进行了机器心灵不改变初衷的编辑、整理。

亲爱的开发者朋友们，大家好！今天很高兴有机会与大家见面，在上海谈论量子人工智能。这个领域听起来很玄妙，但实际上已经发展了很长时间。今天我想介绍量子人工智能基本理论背后的思考和应用实践。

让我们从熟悉的地方开始吧。

\ & ampquot一字的文说酒，一天半，无限期。& ampquot这种简单的事情不仅反映了惠子和庄子的辩论，还反映了智力。这是逻辑学上的争论：如何用难以反驳的论据反驳对方？

我提出这个例子，很大程度上是因为想到了数学的局限性。这句话实际上代表了极限为零的过程，与计算机二进制有关。把小棍子平分，然后拿小碎片分成2等分，重复这个过程。仔细观察，你会发现其实这是二进制的标志。如果继续进行，你会发现木棒形状可能不规则。那么就成了微积分的切割，如何将立体的东西切割成两块的问题。(约翰f肯尼迪，教育)然后，还可以考虑如何公平、快速、准确地切割，从这时开始出现工程学和算法优化的东西。当然，你也可以用这个想法玩自大的游戏。所以这句话会带来非常丰富的想象。

但是，当这个东西剪不掉的时候，这个东西还存在吗？答案是存在。那么遵循什么规律呢？古代的人只能辩论，现代人思考两者。

我有一个不成熟的意见，那就是& amp# 039；什么都知道，什么都知道天下& amp# 039；是。剪& amp# 039；包含智力、人工和量子。

现代人对事物的认识已经远远超过了刚才所说的辩论。事实上，人们已经能够从最根本的层面认知世界。上个世纪，我们可以看到伟大的物理学家、量子开拓者的不懈努力。1900年普朗克发现能量需要量子化，爱因斯坦提出光量子，保罗提出氢原子轨道离散化。接着德布罗意提出了补蛋双重性，海森堡和薛定谔建立了微观世界的物质必须遵循的物理规律，狄拉克统一了量子力学和狭义相对论。这些成就使人们不仅从哲学的角度争论世界本源的问题，而且可以用物理学的方法非常严格地研究这些问题。

后来冯诺依曼和希尔伯特将整个物理学规律公理化。量子物理学公理化后，量子物理学不再局限于物理学家的研究。其他领域的科学家和各行各业的人都可以研究。事实上，量子力学听起来很玄妙，但可以用正确的数学概括。在大学里，《线性代数》的知识可以用来描述量子力学的四个公理。这就是为什么今天我们可以在这里讨论，而不是像古人一样仅限于争论。

今天我们可以聚在一起讨论，也要感谢图灵。图灵20多岁的时候& ampquot我能问什么问题？& ampquot为了回答这个问题，我们建立了准确的数学模型。

& ampquot根据我的定义，数字只有在十进制展开可以由一台机器记录时才能计算出来。& ampquot名为——的研究确立了现代计算机的理论模型。图灵又问了另一个问题。& ampquot机器能思考吗？& ampquot图灵认为，机器也可以说是智能的，也可以有独特的思维方式。所以业界普遍认为图灵是人工智能的创始人。

量子和计算，将这两者结合在一起会发生什么？历史证明量子力学产生了巨大的革命效果。芯片、激光、原子弹、晶体管、核磁共振等技术都是根据量子力学原理开发的。

现在我们将量子和计算理论重新结合，形成新的理论——量子计算。这个理论可以帮助我们操作量子系统。在以前对材料的研究中，我们首先利用量子力学的原理确立了材料的性质，然后预测了材料的结构。现在我们不再满足于这个阶段了。我们希望技术能够对单个量子系统用量子力学定律预测完整的性质，从而完成信息处理任务。这件事为什么有意义？因为量子世界有很多特性，例如重叠状态、纠缠状态等。这些功能使计算机具有更强的信息处理能力。

为什么我们需要量子计算？我将从以下三个方面说明量子计算的必然性。

第一是逻辑必然性。古典逻辑为什么要关注量子逻辑？因为在经典的逻辑层面上，只能面对量子问题。

这个问题是什么？例如，经典逻辑考虑and或not操作。Not是输入0输出1，输入1输出0的操作。我们可以把这个任务想象成一个黑匣子。这个黑匣子的作用是不可分割的。这个操作本身也是物理过程。

兰德尔是& ampquot信息的处理都是物理过程& ampquot。只要有物理过程，都遵循这个规律。因此，您可以将看似不可分离的过程视为多个物理过程的组合。在这种情况下，两个物理上可行的操作的组合和逻辑& ampquot非ampquot门必须相同。最后，你会发现，任何经典的逻辑操作都不能满足这一关系。

我们要解决存在于物理理论中，但在古典逻辑中找不到的两难问题。我该怎么办？为了思考这个问题，必须引入矩阵思维。引入虚数的概念就是量子逻辑门的操作。事实上，这个R是存在于物理理论中的量子逻辑门，但如果不能被经典逻辑表达出来，就要被量子逻辑描绘出来。

第二是技术必然性。随着芯片的尺寸越来越小，现在变小到1纳米，电子隧道效应将越来越明显。在这种微观层面上，已经没有办法继续经典的摩尔定律了。所以我们必须考虑量子效应。另外，还要考虑耗电量大的问题。应用量子方法是解决办法。

第三是应用上的必然性。我们知道生病了要吃药。药是大分子。我们可以进行化学反应来研究新药。这时，化学性质的模拟变得非常重要。费曼发现，用经典计算机模拟卷子系统往往需要指数级的时间，效率也很低。例如，在具有50个量子位的系统中，记录系统状态信息所需的存储容量是当前所有存储容量的几倍。因此，可以使用量子模型进行模拟。量子模型几乎可以模拟自然界所有物质的进化过程。

接下来，我们来看看量子计算技术的发展趋势。在过去的几十年里，量子计算技术发展得非常快。2001年，我刚进入这个领域，当时无法制造一两个量子比特。现在，我们可以制作100台量子比特规模的量子计算机，科学家们展示了量子计算的各种优点。

从这个意义上说，两者是我们在后摩尔时代必须走的路。我们可以把量子保护隐私作为AI发展的突破口。研究更强计算力的算法需要量子。最终，我们想要一个新的量子解决方案，能够完全超越经典的解决方案。

必须强调的是，双边计算已上升为国家战略，双边技术的发展战略规划和系统布局已转变为非常重要的方向。在《“十四五”规划和 2035 远景目标纲要》中提出量子信息作为三马车之一。从国外来看，很多国家已经在双边计算上投入了大量资金。另一方面，量子计算市场将在未来上市。从图中可以看出，根据综合信息的预测，量子计算市场基本上呈指数增长趋势。

量子计算的应用主要是密码安全、人工智能、量子化学、材料模拟，可以找到很多相关的新闻报道。

量子计算和人工智能正在深度融合。计算机视觉、自然语言处理、语音、自动驾驶等熟悉的人工智能工作往往需要良好的算法和深入的学习框架。量子人工智能应运而生，在算法、框架、硬件三个层面发挥了节约和加速资源的效果。

量子人工智能最近的目标是什么？目前，我们只有中等规模的量子硬件，没有大规模的量子硬件。我们最近也有量子算法可以指数加速。未来5 ~ 10年，量子人工智能领域最大的任务是开发比现有技术更好的量子计算方法，落地。

百度做的事

最后，我荣幸地介绍百度在量子计算方面所做的工作。像量子计算这样的革命时代即将到来。作为企业，该如何应对这种挑战？百度做的事情很简单。就是建立储备技术人才软件平台，开发新业务，将我们开发的技术提供给所有开发人员、合作伙伴。

编者注：2018年3月8日，百度成立了量子计算研究所，段润尧博士成为研究所所长。所以研究是& amp# 039；百度量子，量子百度& amp# 039；以为使命，& amp# 039；每个人都可以做量子& amp# 039；以乙为愿景，广泛开展双边技术储备、双边人才培养、新的双边工作探索，准备建设世界一流的量子人工智能研究机构，迎接量子计算时代。为此，丹云尧博士制定了QAAA战略计划，即量子算法(Quantum Algorithm)、量子人工智能(Quantum AI)和量子体系结构(Quantum Architecture)三个关键方向，在研发过程中不断利用二者。

在量子算法的方向上，百度希望为特定任务设计高效的量子算法，将经典算法设计和分析理论扩展到量子场景，优化现有量子经典算法，确定现有算法的可行性和局限性，重点研究量子搜索、量子模拟、量子安全计算等。在量子人工智能方向上，百度希望利用量子计算的信息处理优势促进人工智能的发展，利用现有的人工智能技术克服量子计算发展的瓶颈，重点发展机器学习、信息安全、区块链等技术。在量子体系结构方向上，百度希望为支持量子人工智能和量子算法的物理设备实现提供量子基础设施集成服务平台。重点研究了量子硬件接口、分布式量子信息处理、综合编程平台、量子网络和互联网、量子、后量子密码等研究领域。

围绕QAAA计划，百度将建设以QAAA、PAMAL、PALED、数量同父异母三大项目为主体的百度双边平台(Baidu Quantum Platform)，提供全面的双边基础设施服务QAAS (Quantum Infrastructure AS服务)百度量子平台提供了连接顶级解决方案和基本硬件基础所需的大量软件工具和界面，百度希望该平台充当量子计算时代的操作系统。开发者和合作伙伴可以通过这个平台获得量子计算产业的能力，不再需要有针对性地接触和学习复杂的量子硬件和软件。通过打造两脉、桨、杨服三项国内领先的量子计算技术成果，百度已成为量子计算领域的先驱。

现阶段，百度主要聚集在算法、量子人工智能、体系结构等三个领域。作为成果，我们已经推出的百度双边平台就是围绕这三个方面的。例如，测量桨是连接人工智能和深度学习的桥梁。两脉是量子控制的云平台。最重要的是杨同父异母。这个平台可以帮助开发者朋友更容易地使用量子计算资源。

从算法设计到量子环境部署，再到量子软硬件接口，我很高兴以沉重的重量推出百度量子全景图。刚才说的洋脉、桨、羊很容易趴下，起着重要的作用。

编者注：Quanlse是脉冲级量子控制云平台，通过云计算为量子控制提供专业高效的解决方案，并提供高效的量子软硬件接口，为近期量子应用的实施提供了有力的保障。阳脉最近升级到2.0版，重点开发了多量子比特噪声模拟器，用于模拟超导量子芯片，并通过新的误差表征和噪声缓解模块提高了量子计算精度。它已经成为一个量子控制平台，支持超导电路、离子阱和核磁共振的所有三种量子硬件。

桨(Paddle Quantum)是量子机器学习工具套件，有望加快人工智能技术与量子计算的深度融合，促进量子化学模拟、新药开发、金融等领域的突破性发展。通过升级到杨诺最新版本2.1，平均提高20%的运营效率，最先进的量子神经网络、LOCCNet、量子核方法、含噪声的量子电路仿真等，开发者可以在杨诺轻松地进行人工智能、组合优化、量子化学方面的量子应用研究开发。

Quantum Leaf是国内第一个云原始量子计算平台，是一个将原始云计算与量子计算优势相结合的一站式量子计算平台，传递量子计算需求和出口是开启量子计算时代的关键。最近西装磅升级到2.0版，成为国内第一个能够接触量子计算真机的云原始量子计算平台，提供从应用到真机的一站式量子计算服务。杨怡福通过访问中科院物理研究所的超导量子比特芯片和混合语言支持、QCompute量子软件开发工具集(SDK)、云上量子集成开发环境(IDE)、自动化模块工作流等技术，创造了真正的企业级量子计算开发环境

杨是国内第一个云原始量子计算平台。教育科学、人工智能应用、化学医药等领域都可以通过这个平台编写程序。量可以将外部信息转换为量子硬件可以接受的指令。还提供了多种编程方法。开发者朋友可以在线编程，可以用古典和两者混杂的方式编程。这个平台适合所有开发者。

最近，我们和中科院物理所一起实现了杨怡福和他们的量子芯片对接。所有开发者都可以使用体积异服平台在量子芯片上运行量子程序。

据说不练假医，我们都很欢迎可以自己试试。例如，我们写一个可以用来计算化学分子的程序，或者写一个可以用来设计量子神经网络的程序，通过它很容易传递到物理谐振器中，最后来回调用谐振器来计算小分子基态的能量。(约翰f肯尼迪，美国电视剧)目前计算的结果和理论值有一些偏差。相信通过后续改善，偏差会逐渐缩小。

这件事的意义是什么？想象一下，如果是以前，我想知道一个分子的基本态度会怎么样。(约翰f肯尼迪，分子、分子、分子、分子、分子、分子)一定要去实验室做各种实验，收集各种数据，然后用经典计算机处理大量数据，勉强建立一个模型，重新分析，最后得出结果。现在程序员朋友们只要在自己的电脑上敲几下代码，下命令就可以计算了。这是革命性的计算方式，这是最感人的地方。今后还将继续推出新的量子计算平台，请关注。

最后介绍一下百度量子生态。百度双边生态是一个非常开放的生态，我们希望百度双边生态能够持续发展，秉承永远为开发者朋友、用户和客户提供服务的方针。戴尔希望通过与硬件供应商的合作，通过对硬件的首次测试合作互连，实现双赢。希望与科研人员一起以多种方式开展科研合作。同时，我们继续支持有关的国际会议，如QIP等。我们还有最高顾问，例如Artur Ekert，他是量子密码的共同发明者，也是量子计算的先驱。通过这种方式，我们真诚地希望通过百度量子生态与大家共同发展。

展望

最后展望量子科技明星。量子技术其实挑战很大。我们该如何应对？在我看来，科研方面需要系统的部署，量子科技人才队伍的培养是必不可少的。具有跨学科背景知识的人才是目前最缺乏的。在应用领域，二者可以使云计算和AI更具活力，促进产业升级。

结语

我相信，对所有企业来说，都面临着在双边时代如何准备和开发新的东西的问题。

清朝末年，一部小说很有名，女性是如何通过努力争取权利的，这本书叫《黄绣球》。小说中有& ampquot前人种树，后人乘凉& ampquot有句话。所以在这里，我放了一张树的照片：这是一棵9000多年前的树，它的年龄是用量子方法测量的。巴菲特是& ampquot现在我们在树下放风是因为很久以前有人做了一棵这样的树& ampquot说了。我认为每个人都可以拥有养子，现在正是种养子树的黄金季节。百度希望与大家携手合作，共同推动双边领域的发展。谢谢！

THE END

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原标题：《WAIC 2021 | 百度量子计算段润尧：从理论到实践谈量子人工智能》