,,

量子計算:突破摩爾定律，開啟計算能力新時代

（2024年11月23日更新）

在過去的一百年里，人類在文明上取得了兩個偉大的突破，一個是計算機的發明，另一個是量子力學的發現。兩者都促進了人類世界的跨越式進步。大約二三十年前，這兩個偉大的思想發展了量子信息科學。其中，量子計算機的概念提供了突破當前經典計算機物理局限性的可能性，也成為科學工程中前所未有的挑戰。

芯片采購網專注于整合國內外授權IC代理商現貨資源，芯片庫存實時查詢，行業價格合理，采購方便IC芯片，國內專業芯片采購平臺。

摩爾定律的結束也是開始

計算機是現代人類文明的象征，現代社會對計算資源的需求是無窮無盡的。歷史告訴我們，計算能力的提高使社會運行更有效率，并導致更意想不到的應用，使我們的生活豐富多彩。

目前，我們普遍使用的計算機工作原理是基于經典力學框架設計的，即1是1，0是0；山是山，水是水。在過去的幾十年里，經典計算機芯片越來越好，計算能力不斷提高的主要原因是優秀的工程師可以縮小芯片中的元件。這樣，不僅增加了可以放置在單位大小內的元件，而且減少了電流信號從一個元件到另一個元件的距離，可以加速邏輯操作，減少能耗，殺死許多鳥。這個套路成就了著名的摩爾定律，描述了工業生產的芯片密度在過去幾十年左右Sanken代理事實上，每18個月翻一番。

然而，當摩爾定律提出時，它也表明了它失敗的日子——因為物理元素不能無限縮小。眾所周知，所有的物質都是由原子組成的。在原子尺度上，粒子的行為是按照量子力學規律運行的，而不是經典力學，甚至如何定義1和0也成為一個大問題。

然而，摩爾定律的失敗并不意味著人類不斷追求更強計算能力的道路就結束了。借用丘吉爾的名言：現在不是結束，甚至不是結束的開始。但也許，現在是開始的結束。摩爾定律引導人類達到經典世界和量子世界的邊界。跨越過去后，量子計算將開辟一個新的世界。

量子力學讓我們意識到，在現實世界中，有許多物理規律違背了直覺，顛覆了我們對整個世界的認知。在量子世界中，許多經典物理學中不存在的物理狀態變得可能。例如，粒子的狀態可以同時代表1和0；山不是山，水不是水。量子計算的核心思想是以量子力學為框架，開發更強大的量子計算機，讓我們重新理解計算的意義；看山只是山，看水只是水。

第二次量子革命

憑借量子力學的框架，人類對各種物質的特性有了更深入的了解，產生了許多先進的技術發明。例如，激光是通過認識光的量子特性開發出來的；芯片是通過認識電子的量子特性開發出來的；核磁共振成像技術是通過認識磁鐵的量子特性開發出來的。這些通過研究物質量子特性引起的技術進步可以歸類為第一次量子革命。

隨著技術的進步，我們對各種微觀系統的控制能力大大提高；我們不僅可以控制原子的行為，還可以測量單個電子產生的電流。這些尖端技術允許我們反復驗證量子力學的基本特性，促進第二次量子革命。

第二次量子革命的特點是需要從量子力學的本質中發展新技術。例如，量子計算機是通過量子疊加原理開發的；量子精密測量技術是通過量子糾纏開發的；量子加密系統是通過量子不可克隆原理開發的，等等。我們期待著第二次量子革命給人類社會帶來各種科技突破。

量子計算的潛力

量子計算機與經典計算機最大的區別在于，存儲和傳輸數據的基本單元比特被量子比特所取代。在這里，我們使用量子疊加原理：一個量子比特可以同時0和1兩個邏輯狀態的線性疊加；兩個量子比特可以同時處于00、01、10和114個邏輯狀態；多個量子比特可以實現指數增長。量子算法的核心是如何利用這些量子疊加態來加速問題的解決。

其中，最著名的量子算法是Shor1994年發布的大量分解量子算法直接威脅到經典計算機網絡所依賴的加密系統。雖然我們還沒有開發出通用量子計算機，但是Shor算法的出現引起了許多網絡安全專家的關注。如果一些機構或個人在50年后開發量子計算機，我們今天通過互聯網等公共領域發送的所有加密信息一旦被攔截和存儲，將逐一被破解。因此，量子計算機的概念促使網絡安全專家開發新的加密方法來對抗量子攻擊。

近年來，量子計算研究取得了許多重大突破，促進了量子計算復雜性的發展。同時，量子算法的經驗也對經典算法產生了影響。目前，許多新的經典算法都受到了量子算法研究的啟發，反映了量子算法研究的總體價值。

對于未來，研究人員普遍認為量子計算機可以在量子化學模擬和人工智能領域取得巨大成就。像過去的許多偉大發明一樣，一旦量子計算機成功開發，我們今天將找到更多意想不到的應用程序。

量子計算機多路線之爭

事實上，量子不是像電子中子那樣的基本粒子，量子比特也不是一種稀缺的物質。量子力學中的量子是在微觀世界中描述的，物理系統的能量不是連續的事實，這種不連續性被中文翻譯成量子。因此，原則上，任何量子系統中的兩個能級都可以用作量子比特，只要有實驗控制和讀取。

目前，相對成熟的系統包括：超導量子器件、量子點、囚禁離子、金剛石色心、核磁共振系統和線性光學系統。不同物理系統的量子比具有不同的特性。過去，量子計算機的硬件研發是按照不同的路線同時進行的。物理系統中開發的技術也可以顯示在不同的系統中。未來量子硬件的發展也可能是混合不同量子系統，取長補短，提高整體效率，代表著人類科技進步的重大挑戰。

量子霸權時代

量子計算機應該是一臺強大的計算機。然而，理論上我們無法證明量子計算機能夠快速解決經典計算機無法有效解決的問題。比如說，Shor雖然量子算法的計算復雜性低于任何已知的經典算法，但我們并沒有排除等效甚至更快的經典算法的存在。一旦找到這樣的經典算法，Shor量子算法的影響將大大降低。

另一方面，在各國政府和企業的大力推動下，在過去的幾年里，量子比特的數量在實驗室中不斷增加，質量也在提高。對于量子計算的科研人員來說，是驚喜和喜悅。我們需要考慮的不是教科書中的理想量子計算機，而是準量子計算機；這些基于量子力學原理的復雜計算機，雖然邏輯操作不符合一般量子計算的標準，但其行為幾乎不能被經典計算機有效模擬。在量子計算領域，一般稱為量子霸權。

在這個量子霸權時代，為了促進量子計算機的發展，我們有許多緊迫的任務，包括量子操作系統、量子算法、量子軟件和一套復雜的系統工程。

HiQ量子云服務平臺

實事求是地說，與當代計算機相比，各研究機構的量子設備和量子模擬機的計算能力仍有很大差距。縱觀世界各地的研究機構和商業公司，在物理層面制造量子計算機的主要策略是逐步增加量子比特位數。

量子軟件和算法研究是量子計算硬件系統成熟之前的必由之路。華為已經在量子計算模擬器HiQ云服務平臺取得階段性成果。HiQ云服務平臺已在2018年華為全聯系會議上發布，包括量子計算模擬器和基于模擬器開發的量子編程框架，基于華為云強大的計算基礎設施，采用分布式架構、算法優化創新，克服內存容量和網絡帶寬延遲的挑戰，提供全振幅模擬和單振幅模擬云服務。HiQ可模擬全振幅42量子比特以上，單振幅81量子比特(邏輯深度40層)以上，低深電路單振幅169量子比特(20層)。這是目前行業領先的量子電路模擬云服務，首次集成糾錯量子電路模擬，可實現數萬量級量子比特的糾錯電路模擬，性能是同類模擬器的5-15倍。

華為還首次展示了與開源兼容的量子編程框架ProjectQ同時，量子算法的并行計算性能計算性能，增加了兩個圖形用戶界面量子電路布置GUI（Graphical User Interface）和混合編排BlockUI（Block User Interface），使經典量子混合編程更加簡單直觀。

華為量子計算愿景

多年前，量子計算被稱為具有顛覆可能性的未來計算技術之一。如果指數級別加速，經典計算機需要數萬年的計算任務，量子計算機可以在幾分鐘甚至瞬間完成。雖然量子計算在硬件、軟件、算法、系統等方面存在技術挑戰，但它是一個復雜的系統工程；然而，從近年來量子計算領域的快速發展趨勢來看，預計將在人工智能、藥物開發、量子化學、新材料設計、復雜優化調度等方面帶來新的革命。

在繼續關注量子計算機硬件最新進展的同時，華為也投入研發力量參與一些探索性研究，以促進量子計算機盡快出現。

量子計算是一種革命性的計算技術，不同于經典計算。它時，量子算法是云計算未來的核心技術之一AI算法帶來新的視角，可以激發更好的經典AI算法，加速計算速度。HiQ云服務平臺的推出標志著量子計算研究和創新的關鍵一步。未來，華為將繼續在量子計算領域進行深入的研究和技術投資。量子計算模擬器堅持開放、合作、共贏的理念HiQ云服務平臺已向公眾開放，提供云服務，與大多數開發人員、研究人員和大學師生合作創新，促進學術突破，盡快實現量子計算技術的產業化。