2月28日，移动云TeaTalk·Online第一期活动——“量子计算，一个推翻性的新技术 ”线上直播胜利举行。本次直播我们跟随中国移动云才干中心高级技术研讨员闻经纬博士一同探求了神秘的量子范畴。
以下为中国移动云才干中心，高级技术研讨员闻经纬博士的演讲实录。
量子计算技术作为当代前沿的研讨范畴之一，应用量子力学原理重新构建计算过程，有望带来指数级的算力提升。在大数据大模型不时延展，对算力需求越来越激烈的时期背景下，这更是具有重要社会价值意义的研讨方向。本次分享主要包含以下几方面：
人类应用的计算设备从算盘，到机械式加减法器，再到近年来以电子管、晶体管、超大集成电路为基础的现代计算机，能够应用的算力是在不时提升的。延展至今，人类社会的运转曾经离不开计算机。但从传统计算机呈现到往常已有几十年的时间，性能的提升遇到了一些难以抑止的瓶颈和问题。一是芯片工艺逐步迫近极限，量子效应不可避免，摩尔定律行将失效。二是经典计算机的非可逆计算过程带来的能耗问题。面对这些问题，浪漫的物理学家理查德费曼在1982年，提出能够应用量子系统模仿计算量子系统的概念，开启了量子信息研讨的篇章。
量子计算的基本单元是量子比特，这是一种二能级结构的量子系统，在不同的架构中能够有不同的定义方式（如能级、自旋、偏振等）。量子比特作为经典比特概念的量子拓展，是量子计算机的基本存储单位和运算单元。相比传统比特在某时辰只能处于0或1的状态之一，量子比特能够处于二者的叠加态，这是量子系统的特别性质招致的。这种叠加性可使量子计算机具有庞大的信息携载量。细致来说，n位的经典存储器一次只能表示一个数字，但量子存储器能够同时表示2n个数字。
对于量子比特的操控是经过量子逻辑门完成的。能够证明，与经典计算机可由基本逻辑元件构成一样，量子计算机也可由单比特逻辑门和受控非门完成通用计算过程。量子计算的基本过程就是应用量子逻辑门对量子态进行变换，基于量子叠加态进行并行加速。
在1997 年，IBM 研讨院的D. P. Divinvenzo 列出了物理上完成量子计算机的五个基本请求：（1）系统具有可控的量子比特，且有可扩展性。（2）能够将系统初始化到基准量子态。（3）退相干时间要远大于量子逻辑门操作时间。（4）能实施通用量子门操作。（5）对量子系统能够进行丈量输出。目前完成量子计算机的物理架构有多种技术计划选择，包含超导系统、离子阱系统、半导体量子点、光量子体系、中性原子和拓扑量子计算系统等，其中以超导线路和离子阱系统最受关注。但总的来说，各种量子计算机的物理实验平台在量子比特数、退相干时间、可操作次数以及可扩展性方面各有优劣。
量子计算技术的应用场景很多，简直遍布生活的各个方面。世界各国的政府、研讨机构、公司都在积极规划量子计算，加大量子产业研发投入，树立量子生态，力图完成适用化量子优势。探求的场景包含密码剖析、资料设计、药物研发、人工智能、气候预告、战场剖析、指挥决策、大数据、银行金融等范畴。一方面，如何扩展量子计算的应用场景，是目前量子算法的重要研讨方向之一，有助于加快量子计算的落地。另一方面，分离硬件现状的算法设计以完成适用化的量子优势，也是面向应用层面的关键延展方向。
综合以上，在量子生态的构建上，业界构成了硬件为基础、软件算法为重点、应用效劳为出口的“上中下游”三级结构。硬件的研讨为算力完成和落地提供物理载体，目前是多种技术道路并进，协同延展。基础软件算法层面的开发，则为用户提供硬件的调用接口和应用开发工具，有利于技术的提高与应用。而与各行各业相分离的应用场景探求是量子技术落地，走向商业化的关键。目前这些方面的公司和机构，包含大型公司（如Google、IBM、亚马逊等）和众多专注于量子技术的公司（如Dwave、Quantinuum、本源量子等），都在努力构建完好生态。 中国移动云才干中心努力搭建在线量子计算云平台——五岳，基于移动云树立首个运营商全栈式量子云计算生态，进入中国移动中心技术才干图谱。在应用基础研讨和中心技术攻关项目展开研讨，分离量子计算的算力特性构建量子算力网，并打造量子计算应用生态。基于五岳云平台应用案例，引见量子化学和资源调度优化两个场景。
传统药物研发是一个风险大、周期长、成本高的范畴。一款创新药平均需求20亿美圆和10年时间才干进入市场。在开发阶段普通需求计算机辅助药物设计（CADD），即经过计算机的模仿，预算药物与受体生物大分子之间的关系，对化合物进行设计和优化。虚拟选择耗时耗力且胜利率很低，存在很多细致的算力难题，好比DNA测序与重建、大分子体系的能谱结构求解、化学反响过程模仿、分子结构肯定等。目前研讨发现经过量子计算机，能够在研发药物的过程中快速模仿和评价分子、蛋白质和化学物质间的相互作用，缩短研发周期。
关于分子结构和化学反响预测等问题，需求肯定分子的能谱结构，但是这在大分子体系中是一个对经典计算机来说十分艰难的问题。基于量子算法，好比经典量子混合变分算法（VQE）能够对这类问题进行有效求解。这类算法需求经典计算机与量子计算机的协同处置，基于量子计算机进行量子态的制备和丈量，基于经典计算机进行参数的迭代。直至目的函数收敛，就能够得到对应的基态和基态能量。将这类算法进行拓展变形（如SSVQE,VQD,VQPD等）能够完成对激起态的计算求解，即可获取整个能谱。
除了能谱与结构得肯定，化合物与生物大分子之间的匹配问题也是CADD中常见的问题。在量子计算中，能够经过将二者的匹配过程建模为二阶无约束二进制优化（QUBO）问题并映射到Ising模型，进而再经过量子算法（如量子近似优化算法QAOA等），就能够获取目的哈密顿量的基态和低激起态子空间，得到最佳匹配方式。
除量子化学之外，资源调度问题也能够经过量子计算技术加速求解。算力调度问题在经典计算机中的求解主要以启示式算法为主，如蚁群算法、粒子群优化、遗传算法等，这类算法可在约束条件下搜索满足条件的可行解。但是在大搜索空间中收敛速度较慢，易堕入部分最优解，难以满足调度问题的低时延请求。基于量子计算技术，能够将任务分配过程树立为QUBO问题，再将最优解编码到哈密顿量基态，分离量子技术进行加速求解。 应用量子态的叠加状态以及量子纠缠特性，并行地展开解空间的搜索获取最优调度方式，并基于光量子真机完成相关于经典算法的加速演示。实验结果表明，在100光量子比特运算范围下，相对经典算法的速度提升10倍以上，可估量在更大范围问题上加速效果更明显。
依据 Reportlinker的讲演，量子计算市场范围在2021年约为8亿美圆。波士顿咨询预测，2035年全球量子计算应用市场范围将抵达近20亿美圆，在2050年将飞涨到2600多亿美圆。若量子计算技术迭代速度超出预期，2035年的市场范围可突破600亿美圆，2050年则有望飙升至2950亿美圆。世界各国政府、研讨机构在量子信息范畴持续加大资金投入 与政策支持，目前构成了全球多国参与，理论与实验研讨并重，软硬件协同延展的新局面。 随着新一轮的科技反动和产业改造不时推进，中国量子信息范畴的科学研讨以及产业化进程需求与世界先进水平坚持同步，拓展量子信息更多的应用场景则是推进量子技术产业化、市场化的关键。在量子硬件开发，量子软件研讨，量子算法设计等多范畴要齐头并进，分离自身特性补齐短板，发扬优势，加快推进科研创新，技术攻关，以及科技成果的商业转化。 诚邀参与移动云开发者社区 共筑移动云生态！ |
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