以下為段潤堯在 WAIC 2021 AI 開發者論壇上的演講内容，機器之心進行了不改變原意的編輯、整理：
各位親愛的開發者朋友，大家下午好！今天非常高興有這個機會和大家相會在上海，一起聊聊量子人工智能。這個領域聽起來好像很玄妙，但其實已經發展了很長時間。今天，我希望為大家介紹量子人工智能基本理論背後的一些思考和應用實踐。
讓我們從熟悉的地方開始講起。
「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」這樣一件簡單的事情，不僅展現了惠子和莊子的辯論，也展現了智能。這是邏輯學上的辯論：如何以難以辯駁的論據駁倒對方？
我提起這個例子，很大程度上是因為想到了數學裡的極限。這句話其實表示了極限為零的過程，和計算機二進制是有關系的。如果把一個小木棍二等分，然後取一個小段再二等分，之後一直重複這個過程；仔細觀察你會發現，實際上這就是二進制的表示。繼續往下推演，你會發現木棍形狀可以是不規則的，這時就會變成微積分的切割，變成了如何把一個立體的東西切成兩塊的問題。之後可能還會考慮怎麼切得公平、快速、精确，這時候開始有工程學、算法優化的東西出現。當然，你也可以選擇用這個想法搞個切棰子的遊戲…… 是以說，這句話會帶來非常豐富的想象。
但當這個東西切到切無可切的時候，這個東西還存在嗎？答案是存在。那它遵循什麼規律呢？古代的人隻能去辯論，而現代人則會思考關于量子的事情。
我有一個不成熟的意見，那就是「切一棰而知天下」。“切一棰”裡面蘊含了智能、人工以及量子。
現代的人對于事情的認知，已經遠遠不止剛才所講的辯論；實際上，人們已經能夠從最根本的層面認知世界。在上個世紀，我們可以看到偉大的實體學家、量子先驅們的不懈努力：1900 年普朗克發現能量需要量子化，愛因斯坦提出光量子，波爾提出氫原子軌道離散化。再接着，德布羅意提出波粒二象性，海森堡、薛定谔建立了微觀世界的物質必須遵循的實體規律，狄拉克将量子力學與狹義相對論統一起來。這些成就使人們不僅僅隻是在哲學的層面争論世界本源的問題，而是用實體學的方法非常嚴格地研究這些問題。
後來，馮諾伊曼和希爾伯特把整個實體學規律給公理化了。量子實體學被公理化以後，量子實體學不再局限于實體學家進行研究；其他領域的科學家以及各個行業的人都可以去研究。實際上，雖然量子力學聽起來很玄妙，但是利用精确的數學就可以概括描述它。大學裡《線性代數》的知識就可以用來刻畫量子力學四條公理。這也是為什麼今天我們能夠在這裡進行讨論，而不是像古人那樣隻限于辯論。
今天我們能夠聚在這裡共同探讨，還應該感謝圖靈。圖靈在二十幾歲時提出「什麼樣的問題是可計算的？」并建立精确的數學模型用于回答這個問題。
“根據我的定義，一個數是可計算的僅當其十進制展開可以被一台機器所寫出”——這個研究奠定了現代計算機的理論模型。之後圖靈又提出另外一個問題：「機器能思考嗎？」圖靈認為機器也可以有所謂的智能，也會有獨特的思考方式。是以，業界普遍認為圖靈是人工智能的創始人。
量子和計算，這兩個東西結合在一起會出現什麼？曆史證明，量子力學産生了巨大的革命效應。晶片、雷射、原子彈、半導體、核磁共振等等技術都是依據量子力學原理開發的。
現在，我們把量子和計算理論再次結合在一起，形成新的理論——量子計算。這個理論可以幫助我們去操控量子系統。以前對于材料的研究中，我們首先用量子力學原理去确立材料的性質，然後預測材料的結構；現在我們已經不再滿足于這一步。我們希望技術能夠針對單個量子系統，用量子力學規律預測出完整的性質，進而完成資訊處理任務。這個事情為什麼有意義？因為在量子世界裡有非常多特性，比如疊加态、糾纏态等；這些特性可以使計算機擁有更強大的資訊處理能力。
為什麼我們需要量子計算？下面我将從三個方面闡述量子計算出現的必然性。
第一個是邏輯上的必然性。經典邏輯為什麼要去關心量子邏輯？因為在經典邏輯層面已經不可避免要面對量子問題。
這個問題是什麼？舉個例子，考慮經典邏輯中的 “與或非” 操作。「非」就是輸入 0 輸出 1，輸入 1 輸出 0 的操作。我們可以把這個操作看成一個黑盒，這個黑盒的作用是不可分割的；這個操作本身也是實體過程。
蘭道爾說過“資訊的處理都是實體過程”，而隻要是實體過程都遵循這個規律。是以，我們可以把看似不可分割的過程看成多個實體過程組合在一起，這時要求兩個實體可實作操作的組合和邏輯「非」門等效。最後，你會發現沒有任何一個經典邏輯操作能滿足這個關系。
我們要解決這樣一個困局：實體理論中存在，但經典邏輯中找不到，怎麼辦？這時需要引入矩陣思維去思考這個問題。引入虛數的概念，這個操作就是一個量子邏輯門的操作。其實，這個 R 是個量子邏輯門，它在實體理論中存在，但是不能被經典邏輯表達，那麼它必須由量子邏輯才能刻畫。
第二個是技術上的必然性。晶片的尺寸越來越小，現在已經小到一納米，電子隧穿效應會越來越明顯。在這種微觀層面，已經沒有辦法延續經典摩爾定律。是以，我們必須考慮量子效應。另外，耗電量大的問題也必須要考慮，應用量子方法是一個解決的辦法。
第三個是應用上的必然性。我們知道，生病了就要吃藥，藥是大分子，我們可以做一些化學反應去研究新藥物。這時化學性質的模拟變得很重要。費曼發現，如果用經典計算機去模拟量子系統，通常需要消耗指數級别的時間，效率非常低下。打個比方，一個擁有 50 個量子比特的系統，記錄該系統狀态資訊所需要的存儲量是現在所有存儲量的數倍。是以，隻能考慮用量子模型去模拟。量子模型幾乎可以模拟自然界中所有物質的演化過程。
接下來看一下量子計算技術的發展趨勢。在過去幾十年中，量子計算技術進展非常快。2001 年我剛進入這個領域，那個時候還沒有能夠造出一兩個量子比特的操作；現在，我們已經能夠制造一百個量子比特規模的量子計算機，科學家們也展示了量子計算的各種優勢。
從這個意義層面來說，量子是我們在後摩爾時代的必由之路。我們可以用量子保護隐私，作為 AI 發展的突破口；研究更強大算力的算法需要量子；最終，我們希望得到一個可以完全超越經典的解決方案的全新量子解決方案。
需要強調的是，量子計算已上升為國家戰略，量子科技的發展戰略謀劃和系統布局已經變成非常重要的方向。《“十四五”規劃和 2035 遠景目标綱要》中提出，要把量子資訊作為三架馬車之一。從海外來看，許多國家已經在量子計算方面有很大投入。另一方面，量子計算市場未來可期。從圖中可以看出，根據綜合資訊得出來的預測顯示，量子計算市場基本是呈指數增長趨勢。
量子計算的應用方面主要是密碼安全、人工智能、量子化學和材料模拟，可以搜尋到很多相關的新聞報道。
量子計算和人工智能正在深度融合。很多大家很熟悉的人工智能業務，比如計算機視覺、自然語言處理、語音、自動駕駛，這些業務往往需要好的算法、深度學習架構。量子人工智能應運而生，在算法、架構和硬體三個層面起到節約資源和加速的效果。
量子人工智能的近期目标是什麼？目前，我們隻有中等規模量子硬體，還沒有大規模量子硬體；我們還有一些近期量子算法能夠有指數的加速。今後五到十年期間，量子人工智能領域最大任務是研制出比傳統技術更好的量子計算方法，進而落地應用。
百度做的事情
最後，我很榮幸向大家介紹一下百度在量子計算方面做了什麼。量子計算這樣一個革命時代即将來臨，作為一家企業，應該如何應對這樣的挑戰？百度做的事情非常簡單：搭建儲備技術人才軟體平台、開發新業務，并把我們開發的技術提供給所有開發者、合作夥伴使用。
編者注：2018 年 3 月 8 日，百度成立量子計算研究所，段潤堯博士成為研究所所長。研究是以實作 “百度量子，量子百度” 為使命，以 “人人皆可量子” 為願景，緻力于廣泛開展量子技術儲備、量子人才培養以及新量子業務探索，建成世界一流的量子人工智能研究機構，進而做好迎接量子計算時代的準備。為此，段潤堯博士制訂了 QAAA 戰略規劃：聚焦量子算法（Quantum Algorithm）、量子人工智能（Quantum AI）和量子架構（Quantum Architecture）三個核心方向，并在研發過程中不斷利用量子計算賦能百度核心技術，持續将相關量子科技整合到百度的核心業務之中，積極探索量子科技創新業務。
在量子算法方向，百度希望針對具體任務設計高效的量子算法，将經典算法設計及分析理論推廣到量子情形，優化現有量子經典算法，确定現有算法的可行性與局限性，聚焦于量子搜尋、量子模拟、量子安全計算等應用；在量子人工智能方向，百度希望利用量子計算的資訊處理優勢促進人工智能的發展，同時利用現有的人工智能技術突破量子計算發展瓶頸，聚焦機器學習、資訊安全、區塊鍊等技術研發；在量子架構方向，百度希望提供量子基礎架構綜合服平台，用于支撐量子人工智能和量子算法的實體裝置實作，聚焦量子硬體接口、分布式量子資訊處理、統一程式設計平台、量子網絡與網際網路、量子和後量子密碼等研究領域。
圍繞 QAAA 規劃，百度已建成了以量脈、量槳、量易伏三大項目為主體的百度量子平台（Baidu Quantum Platform），旨在提供全面的量子基礎設施即服務 QaaS（Quantum Infrastructure as a Service），追逐 “人人皆可量子” 的願景。百度量子平台提供了連接配接頂層解決方案和底層硬體基礎所需的大量軟體工具以及接口，百度希望這一平台扮演量子計算時代作業系統的角色。開發者和合作夥伴可以通過這一平台實作量子計算對行業的賦能，不再需要針對性接觸和學習複雜的量子軟硬體。通過打造量脈、量槳、量易伏三項國内領先的量子計算科技成果，百度已成為量子計算領域的先行者。
現階段百度主要聚集在算法、量子人工智能和架構這三塊領域。作為成果，我們已經推出的百度量子平台，就是圍繞這三個方面。比如量槳是人工智能和深度學習的連接配接橋梁；量脈是量子控制的雲平台；最重要的是量易伏，該平台可以幫助開發者朋友更加便捷的使用量子計算資源。
很高興向大家重磅推出百度量子全景圖，從算法設計到量子環境部署再到到量子軟硬體接口，已經有一整套系統的架構。剛才說的量脈、量槳、量易伏在其中扮演着很重要的角色。
編者注：量脈（Quanlse）是脈沖級别量子控制雲平台，通過雲計算為量子控制提供專業與高效的解決方案，提供了高效的量子軟硬體接口，為近期量子應用的實作提供了有力保障。量脈最新更新至 2.0 版本，重點研發了多量子比特含噪模拟器，用于仿真超導量子晶片，新增誤差表征和噪聲緩釋子產品助力提升量子計算精度，成為了同時支援超導電路、離子阱、核磁共振三類量子硬體的量子控制平台。
量槳（Paddle Quantum）是量子機器學習工具集，可加速人工智能技術與量子計算的深度融合，進而有望促進量子化學模拟、新藥研發、金融等領域的突破進展。量槳最新更新至 2.1 版本，運作效率平均提升 20%，通過前沿的量子神經網絡、LOCCNet、量子核方法、含噪量子電路模拟等子產品，開發者們可以在量槳上便捷地進行人工智能、組合優化、量子化學方面的量子應用研發。
量易伏（量子易于降伏，Quantum Leaf）作為國内首個雲原生量子計算平台，是從應用到真機的一站式量子計算平台，結合原生雲計算和量子計算優勢，承載量子計算需求和出口，是開啟量子計算時代的鑰匙。最近，量易伏重磅更新至 2.0 版本，成為國内首個接入量子計算真機的雲原生量子計算平台，提供從應用到真機的一站式量子計算服務。量易伏通過接入中科院實體研究所的超導量子比特晶片，以及諸如混合語言支援、QCompute SDK（量子軟體開發工具集）、雲上量子 IDE（內建開發環境）、自動化子產品工作流等技術，帶來了真正企業級的量子計算開發環境，進一步彰顯百度量子生态軟硬實力和建構生态上下遊能力，使得人人皆可使用到量子計算的能力。
量易伏是國内首個雲原生量子計算平台。教育科研、人工智能應用、化工醫藥等領域都可以通過該平台編寫程式。量易伏可以把外部資訊轉換成量子硬體可接受的指令；同時還會提供各式各樣的程式設計方式。開發者朋友可以線上程式設計，可以用經典和量子混雜的方式程式設計。該平台适合所有開發者。
最近我們和中科院實體所一起合作，實作了量易伏和他們的量子晶片的對接。所有開發者都可以利用量易伏平台，在他們的量子晶片上運作量子程式。
光說不練假把式，我們非常歡迎大家可以自己嘗試一下。舉個例子，我們用量易伏寫了一個程式，這個程式可以用來計算化學分子，也可以用量易伏設計量子神經網絡，然後通過量易伏傳到實體的真機上，最後通過來回調用真機，計算出小分子基态的能量。目前計算出的結果和理論值還有一點偏差，相信經過後續不斷改進，偏差會逐漸縮小。
這個事情意義何在？我們想象一下，如果是以前，想知道一個分子的基态度會怎麼做？一定是到實驗室做各類實驗，收集各種資料，之後用經典計算機處理大量資料，勉勉強強建立一個模型，然後再去分析、最後才得到結果；而現在，程式員朋友隻要在自己電腦上敲幾下代碼，發個指令就可以算出來。這是革命性的計算方式，這是最激動人心的地方。我們後面也會持續推出新的量子計算平台，希望大家關注。
最後和大家介紹一下百度量子生态。百度量子生态是非常開放的生态，我們希望百度量子生态能夠可持續地發展，秉承給開發者朋友、使用者、客戶提供服務永遠至上的準則。我們希望和硬體供應商合作，在硬體方面第一時間進行測試合作互聯，最後達到共赢；也希望和科研院是以各種方式開展科研合作。同時我們也在持續支援相關的國際會議，如 QIP 等。我們還有像 Artur Ekert 這樣的頂級顧問，Artur 是量子密碼的共同發明人，也是量子計算的先驅。通過這樣的方式，我們由衷希望通過百度量子生态和大家一起共同發展。
展望
最後展望一下量子科技之星。量子科技其實挑戰很大，我們應該如何應對？在我看來，科學研究方面需要系統布局，而量子科技人才隊伍的培養勢在必行。具有交叉學科的背景知識的人才，這是目前最缺的。在應用方面，量子會使雲計算和 AI 變得更加有活力，還能夠促進産業更新。
結語
我相信對每一個企業都面臨這樣的問題：如何在量子時代做好準備，如何開發新的東西？
清朝末年有一個小說很有名，講的是女性怎麼通過努力争取權利的，這本書叫《黃繡球》。小說裡有句話就是「前人栽樹，後人乘涼」。是以在這裡，我放了一張樹的照片：這是一棵九千多歲的樹，它的年齡是用量子方法測出來的。巴菲特說過「之是以現在我們可以在樹底下乘涼，是因為很久以前有人在這種了一棵樹」。我覺得人人皆可量子，而現在正是種量子樹的黃金季節。百度希望和大家攜手，一起推進量子領域的發展。謝謝大家！