全国首例！5G通信也要搞“遇事不决量子力学”
作者：Ada、詹士
物联网智库 整理发布
导读
全国首例，量子计算突破！
就在7月10日，中国移动研究院与本源量子官宣，成功实现“基于通用量子计算机真机的算法验证”，初步结果满足预期要求。
目前该条信息已在网上引发不少关注，不过，也有网友表示——
没看懂。
的确，对多数人而言，中移动最大标签无疑是通信运营商，而前沿科技范畴的量子计算机与他们有怎样关联？此次取得的突破又意义何在？
不妨细究一番。
通用量子计算机强在哪？
我们先从概念看起。
量子计算机（Quantum computer）是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。其与传统计算机不同之处，在于量子计算用来存储数据的对象是量子比特，靠量子算法来处理数据。
通过利用量子力学效应，例如叠加和量子干涉，量子计算机能够比传统计算机更快地解决某些类型的问题。
图源：Nature
为什么量子计算机运转速度更快，研究多年大厂IBM给出一个例子解释：
对于大型蛋白质序列数据库进行分类任务，经典的超级计算机可能会尝试用蛮力折叠蛋白质，利用众多处理器检查各种可能的化学链弯曲方式，然后再得出答案。
但随着蛋白质序列变得越来越长、越来越复杂，超级计算机就会停止运行。一条由 100 个氨基酸组成的链，理论上可以用数万亿种方式中的任何一种方式折叠。没有哪台计算机所具有的工作内存足以处理单个折叠的所有可能组合。
相比传统超级计算机，量子算法采用了一种新方法来解决这些复杂的问题，即创建多维空间。而用于运行多维量子算法的载体，即量子比特。
图注：量子比特的叠加态可以表示更多信息。来自wiki
落回蛋白质折叠问题，这种模式可能是——所需能量最少的折叠组合，相比之下，经典计算机无法创建这些计算空间，因此它们无法找到这些模式。
而对于蛋白质问题，目前已有早期量子算法，能以更高效的新方式找到折叠模式，而无需像经典计算机那样费力地执行检查程序。
图源：IBM
如果还没理解，不妨再看看郭光灿院士一段论述：
量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2^N个可能数据当中的任一个。
若它是量子存储器，则它可以同时存储2^N个数，而且，随着N的增加，其存储信息的能力将指数上升，例如，一个250量子比特的存储器 (由250个原子构成)可能存储的数达2^250，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。
由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。
其效果相当于经典计算机重复实施2^N次操作，或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源(如时间、记忆单元等)。
要实现上述原理，子处理器需要在近乎于绝对零度下工作。所以说，尽管量子计算机的处理器并不大，与普通PC芯片尺寸在一个量级，但量子计算机整体却很大，能塞满一整个房间。
图源：本源量子
在IBM的介绍中，量子计算机的应用案例包括了——半导体化学工程、奔驰电池设计，欧洲原子能研究中心也谋求将其应用于希格斯粒子及宇宙起源的相关研究。据本源量子官网介绍，更多应用领域还包括：工程设计、生物化学、大数据、金融科技、人工智能。
那么在通信方面，量子计算机有什么应用？
此次发布中，本源量子软件中心总监窦猛汉对外介绍，成果针对的是——5G现网中基站大规模天线参数的优化问题。
众所周知，5G基站典型特点，是引入大规模天线（Massive MIMO）技术，通过对大规模的天线阵列进行部署，可以在无线信道环境允许条件下，大幅提高频谱效率，节约基站能耗，提升空间利用率。
图源：5gtechnologyworld
这当中，大规模天线参数优化调整直接关系到5G体验，技术门槛也不低。
一方面，对比传统设备的2天线、4天线、8天线相比，采用大规模天线技术的通道数可达32或者64，天线阵子数可做到192、512甚至更高，其增益大大超越传统设备，相关技术难度也提升不少。
另一方面，是信号覆盖的维度方面。之前天线主要考虑水平方向的移动，但大规模天线为水平方向和垂直空域的移动，信号的辐射呈电磁波束。
上述两方面，再结合城区不同环境覆盖、局部热点、郊区覆盖与无线回传等场景，对配置部署来说，不仅需要新应用所求，更需满足智能化、低碳化趋势，优化难度不小。
此次实验中，本源量子通过有效建模、算法设计和真机验证，初步证明了量子算法在该类特定问题中的可行性。据称，此次验证是全国首个使用量子计算机真机进行通信网络算法验证的案例，实现了量子计算应用于通信网络的良好开局。如此说来，果真是5G也搞”遇事不决量子力学“了。
关于后续在通信领域的应用，中国移动研究院未来研究院院长崔春风在媒体采访中表示：
相比5G，6G将面临更大规模业务优化、更大规模网络优化、更大规模信号处理和机器学习大模型训练等计算难题，经典计算与算法面临着巨大压力。算力强大正是量子计算机的最大特征。当前，全球量子计算正稳步发展，已经在一些高算力需求行业得到试点性应用。
“我们想尝试从一些典型场景中的小规模问题入手，来评估和验证量子计算在通信网络，尤其是6G中的应用可行性。”崔春风说。
科技巨头押注量子计算
量子计算在近些年越来越火，科技巨头纷纷加码。
这当中，IBM算较早布局的企业，近些年亮眼突破也频出。
2015年，IBM的研究人员就利用2×2的方形量子比特电路，实现了同时发现和测量两种量子误差，而这是建造实用量子计算机的关键步骤。此后，IBM在2016年开始以云计算服务的形式提供量子计算能力。
2017年底，IBM推出了两款第二代云端量子处理器，第一款拥有16个量子比特，能够在云端加快处理速度；第二款的处理能力较第一款再增加一倍，并已设计为商用模型。
2019年，IBM在消费电子展上展示了已开发的世界首款商业化量子计算机——IBM Q System One。
约一个月前，IBM在《Nature》杂志上发表论文，称量子计算技术已经迎来重大突破，解决了领先超级计算机无法以近似方法解决的复杂问题。
这一成就有望帮助跨学科科学家们以量子计算系统为工具，逐步攻克化学、材料科学、AI等领域的棘手难题。关于落地节点，IBM表示，最快两年之内，量子计算机就能投入实际应用。
谷歌布局同样较早。2013年，他们与NASA共同预订了一台512量子位的D-Wave Two量子计算机。该计算机并非通用型，而是专为“量子退火”设计。
2019年10月，谷歌官宣实现“量子优越性”，声称其“悬铃木”（Sycamore）量子计算机性能超越了传统计算机。
有意思的是，IBM隔日便投书称，该计算机是宣传性哗众取宠产品，运作方式依然没有超出目前量子科技范围。IBM还称，谷歌的成果只是特定条件特定问题下的一种实验问题结果，而传统计算机只要更换算法就能达到同样效果，成本还更低、正确率更高。
不过，就在不久前，谷歌宣布进一步升级了 Sycamore 处理器，该产品是谷歌于2019年发布的量子处理器，在最新发布中，谷歌号称——其已达到 70 个量子位，其可以在几秒内完成目前最好的超算需要47年才能完成的计算。
谷歌研究人员在 ArXiv 平台上发布的一篇预印本论文称，该公司的最新技术已经“超越了现有经典超级计算机的能力”。
英特尔在量子计算也有涉足。
在CES2018，他们发布了49-qubit量子芯片。公司CEO Brain Krzanich称其为量子计算领域的重大突破，下一步目标“量子优势”。
今年6月，英特尔发布包含12个硅自旋量子比特（silicon spin qubit）的全新量子芯片Tunnel Falls，号称英特尔迄今为止研发的最先进的硅自旋量子比特芯片。
国内量子计算领域也近些年进展频频。
2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队，与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。这一突破使我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性（Quantum Supremacy）。
企业布局方面，百度、腾讯、阿里、华为等大厂均没有错过风口之外，还涌现了大批创业企业。
本源量子
成立于2017年9月的本源量子，专注于将量子计算推向商用领域，由两位中国量子计算行业领军人物——中科院院士郭光灿和中科大教授郭国平，带领中科院量子信息重点实验室博士团队创立。
公开资料显示，截至目前，本源量子已经创造了多个“第一”——
首款国产量子计算机控制系统、国内首个自主研发的可交付使用的超导量子计算机“本源悟源”、国内首个基于真实量子计算机的超导量子计算云平台、国内首款量子计算机操作系统“本源司南”、国内首个量子芯片设计工业软件“本源坤元”等。
玻色量子
成立于2020年11月的玻色量子在北京，是一家研发光量子计算设备的硬科技公司，核心成员来自斯坦福、清华、中科院等院校，且具备多年光量子信息研究经验。
在技术架构方面，玻色量子采用的方案既不同于Google、IBM等企业着力研发的通用量子计算架构，也不同于以D-Wave公司为代表的专用量子计算架构，而是经典计算机+量子AI的混合计算架构。
目前，玻色量子已经自主研发了光量子计算专用光纤恒温控制设备“量晷”和光量子测控一体机 “量枢”，并基于自研的异构光路体系架构，研制出第一代光量子计算机硬件产品。在2022年底，玻色量子完成100计算量子比特相干光量子计算机原型机搭建。
图注：“量晷”与“量枢”
弧光量子
弧光量子成立于2020年，核心团队来自中国科学院软件研究所，核心业务包括量子软件产品及量子计算技术服务，产研范围覆盖量子EDA、量子程序开发平台、量子机器学习平台、量子测控系统、量子应用等前沿技术领域。
此前，其技术团队研发了国内首个量子程序设计与验证平台“isQ”。isQ集量子程序设计、编译、验证、模拟等功能于一体，为未来国产量子软件发展及国产软硬结合等项目打下了坚实的基础。
其中的定理证明器是国际上首个量子程序定理证明器，对量子程序的正确性验证有十分重要的作用。
华翊量子
华翊量子成立于2022年1月，是国内首家专注于离子阱量子计算技术路线的企业，创始团队来自清华大学量子信息中心。公司创始人及首席科学家为国际著名量子信息专家、清华大学量子信息中心主任段路明教授。
今年5月，华翊量子正式发布离子阱量子计算第一代商业化原型机HYQ-A37，可提供多达37个量子比特的量子计算能力。HYQ-A37的部分性能指标已达到世界领先水平，综合来看与目前世界上先进的离子阱量子计算机性能相当。
图源：高榕资本
启科量子
据介绍，启科量子一家兼具量子计算、量子通信核心技术储备与产品研发能力的企业。
公开资料显示，该公司一方面专注离子阱量子计算机软硬件的全栈式开发，在国内率先发布了首台离子阱量子计算工程机“天算1号”，并推出了可用于线下的物理教学、公众的科普教育的模拟离子阱量子教学系统。
在2022年自主研发了一套完整的量子软件体系，包括量子混合云基础架构层、量子编程框架层和量子应用层，现已与国内金融、生化药物研发、信息安全等领域的头部企业建立了合作关系。
另一方面，在量子通信领域，启科量子可向用户提供包括量子保密通信终端(QKD)、量子随机数(QRNG)、密钥管理、网络交换/路由、量子服务器、量子网关、移动加密设备、核心组件等20余项产品及解决方案，与通信、云计算、基础设施建设、能源、信息安全、金融等领域用户开展合作，构筑信息安全防线。
写在最后
值得一提的是，运营商近些年也染指了量子计算领域。
这当中，移动可谓频频出手，其中包括对华翊量子、玻色量子的战投，同北邮在量子算法方面的合作，还有与本源量子、启科量子的产业合作等等。
移动之外，其他运营商也有布局。比如联通：
再比如电信：
事实上，从去年就有相关研究机构认为，量子计算落地只差临门一脚。
这当中，一方面是核心硬件相关研究频出，转化落地奇点已现。另一方面，相关科研、基础设施、应用开发及生态也日趋完善。
或许人人用上量子计算机的那一天还早，但是——
量子计算能力飞入寻常百姓家已经离我们不远。
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