機器之心對話「科學家保姆」施堯耘：帶領阿里邁出量子晶片研發第一步

9 月 19 日，2018 雲棲大會上，連同橫空出世的「平頭哥」半導體公司，阿里巴巴集團首席技術官、達摩院院長張建鋒宣佈，達摩院已正式開始研發超導量子晶片和量子計算系統。

與圍繞著它的掌聲和歡呼不同，我們看到的是施堯耘與達摩院量子實驗室成立一年以來背後的「創業」歷程，並對阿里這家網際網路科技公司，作為國內首家啟動量子計算硬體研發專案的企業機構進軍全球量子計算機硬體競技場的這份勇氣，表示敬意。

邁出了研製量子晶片這一步，也意味著阿里巴巴將在未來與 IBM、微軟、谷歌、英特爾等已具備一定量子計算硬體研發成果的國際企業展開正面競爭。

底氣來源何處？「首先，行癲（阿里巴巴 CTO 張建鋒）沒有給我研發預算的限制，鉅額的製作裝置訂單都已下了。其次，我們已有多名來自普林斯頓大學等世界知名研究與教育機構、量子計算企業的多名量子科學家加入。再之我們已有清晰的研發規劃。」施堯耘說道，「很多情況是對未知的一種恐懼，但人才才是關鍵。」

施堯耘同時表示其量子硬體團隊，將會有一半是不需要有量子計算背景的，很歡迎一些做經典軟體、經典硬體、微波的軟體工程師與電子工程師加入。

與此前設立的量子實驗室軟體及演算法研究的國際化研發佈局不同，新組建的量子計算硬體團隊將設立在杭州阿里西溪園區總部。

未來 5 年間，阿里的量子計算業務研發重點主要在量子晶片研發、雲端量子計算系統、量子機器學習、優化、模擬量子物理的前沿演算法、不同場景應用四個部分。

圖：2018 雲棲大會上，達摩院院長張建鋒介紹阿里量子計算未來

阿里量子實驗室這一年

去年 6 月，達摩院量子實驗室創始人及主任施堯耘正式加盟阿里巴巴，並在 10 月的杭州雲棲大會上舉辦了一場持續一天的 ofollow,noindex">國際性量子資訊科學研討會 ，邀請了來自荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）、荷蘭國家數學和電腦科學研究中心（CWI）、加拿大圭爾夫大學和滑鐵盧大學量子計算研究所（IQC）等國際知名量子技術研究機構教授代表參會。

今年 1 月，之前也參加了雲棲量子峰會的兩次理論計算機最高獎哥德爾獎得主、匈牙利裔美國電腦科學家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）加盟阿里量子實驗室西雅圖團隊，主要開展量子機器學習、優化問題等演算法研究。

今年 5 月，達摩院量子實驗室釋出首個重要科研成果 「太章」 ，這也是國際規模最大的量子電路模擬器，成功模擬了 81（9x9）位元 40 層的谷歌隨機量子電路，超出了此前被模擬的最大規模的電路。太章藉助了阿里巴巴集團計算平臺線上叢集 14% 的節點計算資源，重新界定了量子計算超越經典計算能力。

「太章」作為過渡工具

太章目前只是由經典算力製造的量子計算模擬器，不是量子計算機，現階段只能用於做演算法研究和測試用。

太章的定位是個「工具」，下面是硬體的發展，上面是應用的研發，是在阿里在還沒有研發出數字型通用量子計算機之前起承上啟下作用的「研究輔助工具」。

具體到可研究的問題，比如量子模擬、量子糾錯。就拿量子糾錯來舉例，糾錯功能是通用量子計算機系統中很重要的機制。如果沒有糾錯碼，實踐期間物理系統產生錯誤的方式，跟理論上很簡單的模型，肯定是不一樣的。理論上可以想象每個錯誤是獨立的，以同樣的概率產生，但實際上肯定不一樣。

我們可以想象一下，若之後去測量量子晶片上單獨每個量子位元的特性，會得到一些資料來表達出錯到底是什麼特性。再根據這個特性，去選擇一個很好的糾錯碼。但這時候理論證明是不可能的，因為量子系統本身出錯的情況就很複雜、很不漂亮。

再之，「太章」也算是可利用現有經典計算資源去做量子計算研究的一塊翹板，比如一些副產物中，就有人發現有些受量子物理啟發的經典演算法運算效果比現有在小規模量子位元量子計算上做的量子演算法運算效果更好。

施堯耘認為量子計算的意義不光在於比經典更快，還在於「不同」。有許多問題無論經典或量子都沒有完美的解決方案。量子相當於提供了一個新的維度，使得可能比經典更快地的到結果。即使之後經典解決方案趕超上來，這已經有商業價值。所以，施堯耘認為量子和經典計算不斷相互超越會成為常態。今年 8 月，Scott Aaronson 的學生 Ewin Tang 證明了 受量子激發的經典演算法能以和量子計算機相近的速度解決推薦問題 。這是一個經典跟上量子的例子。相信這樣的例子還會更多，不光是所謂「量子快速演算法的經典化」，也包括完全不一樣思路的經典方案。

施堯耘認為目前工業界這波對量子計算的投入背後的推動力是大資料。「大資料背後的價值是巨大的。而有些價值被挖掘出來是非常困難的計算問題，無論對經典還是對量子。量子提供了一個不一樣的工具，」施堯耘說道。這是阿里大力發展量子機器學習研究背後的思考。

雖然太章是經典系統，「『太章』也有應用的潛能，未來會繼續發展，未來發布的『太章 』延伸版本，可能可以用於演算法應用研究。」

研發核心還是在硬體

去年雲棲大會上也曾瞭解到施堯耘本人的學術背景是計算機理論，而現在他帶領的團隊要進軍量子硬體。施博士解釋了背後的思考：當前量子計算的研發，必須是硬體和應用緊密結合、互相驅動的。

量子硬體的發展是一個循序漸進的過程，最早實用的量子演算法必須基於硬體的特性進行優化，而最初的硬體也必須針對特定的應用進行優化。「所以我們必須緊密結合晶片與應用的開發，才能最快地讓量子計算落地」，施堯耘表示。

施博士指出量子硬體實驗室成立背後的思路和晶片事業的起航本質是一樣的。

被問及阿里的硬體專案和學術團隊的有何不同時，施堯耘解釋道，「企業做量子計算硬體與學界不一樣，主要關注落地和產業化兩個目標。」

落地指的是要作出產品，解決實際問題，給客戶帶來價值。產業化則是培育、促成量子計算產業的生態。比如在製冷、微波、低溫電子學等相關技術的提供商和合作者，以及和幫助阿里輸出量子計算能力給使用者的服務商，阿里希望藉助自己的商業資源，如企業平臺、技術投資團隊、對外商業拓展能力，來幫助這些生態元素的發展。

施堯耘表示，目前硬體實驗室的研究核心還是在通用型量子計算機上。目前由於考慮到超導材料技術相對成熟、裝置容易配置、做超導方向的人才較多等因素，會聚焦超導體系。

但也會關注比如拓撲等其他物理體系的線路。超導跟拓撲硬體體系有很大交集，因為實驗室的裝置基本上一樣，實驗技術也基本上一樣，人員本身的能力也很相似的。其次拓撲裡面有一部分必須用到超導，拓撲量子計算的一部分目前是用超導量子計算的位元設計來做的。

「我們是非常開放跟任何人合作的，包括今天獲獎的青橙獎的清華大學張浩教授。張教授是拓撲量子計算物理實現國際級的領軍專家。我敬佩他放棄國外優越的工作機會，毅然回國，加盟清華。我相信他的實驗室將很快成為國際一線梯隊。他獲得青橙獎是實至名歸。我非常興奮他成為我們戰略合作伙伴，將和我們長期緊密合作。」施堯耘高興地說道。

記者注意到超導量子計算是國外工業界量子硬體的主流。達摩院將如何後來居上呢？

「我覺得我們比較幸運的是，在全行業做量子計算硬體都比較初期的時候，我們憑藉後發者優勢，可以根據現在最好的條件、最好的想法，以及更多的資源去選擇一些細化的技術的研究課題。比如現有幾家公司，都是用同一種類型的量子位元設計，那我們是否可以有不同的設計方法？以及不同的糾錯技術、糾錯碼的設計方案。」這些方向阿里則仍是通過資助研究所團隊與學界合作研究，共同探索不同的技術路線，以及對衝科研風險。

對於優化確定性的任務，施堯耘透露 AQL 已經有非常詳細的規劃。「什麼年做出什麼結果來，這個結果用兩個引數衡量——位元數、精度。以及具體有幾個子任務、子任務多長、子任務之間的依賴關係、具體需要多少資源，我們一清二楚。」施堯耘說道。

選擇志同道合的研發合作伙伴

施堯耘眼中的量子生態主要有上中下三個部分。上層是使用者，使用者會提出對計算資源的運用需求；中層是學術研究合作伙伴，探索方向不確定性的核心技術；底層是量子計算輔助技術輸出者，比如製冷機技術、用作控制超導量子晶片的微波技術、將超導晶片放到低溫環境的低溫電子學技術。

中間層的學術團隊合作，是施堯耘認為生態中最重要的部分。施堯耘從做量子計算生態的角度，希望「分散資源做小事」，即站在企業的角度，有些資源能和更多優秀的獨立學術團隊一起探索可能獲得諾貝爾獎量級的驚天動地的工作。

施堯耘認為在量子計算這個新興學科領域，目前行業合作遠遠大於競爭，在合作雙方都無法對合作後的成果有清晰的預期但都明白合作一定能推動研究進展的情況下，如何在平衡時間成本和人力成本之下推動研發合作，就成了企業研發團隊負責人必須考慮的問題。

施堯耘特別希望談談他自己對合作的看法，畢竟「動腦瓜子」是其日常工作的重要部分。

「加盟阿里後，我從一位教授變成一個企業研究室的負責人。以前是很受人尊敬的教授，現在變成了一個專案經理。」施堯耘笑道，「我其實最希望別人把我們看成一個學術團隊，一起合作是純學術團隊的合作，那是最棒的情況。而不是說我拿了多少經費，IP 怎麼分。所以我希望有這樣的合作團隊，我也不計較什麼 IP 跟他們一起做，這是最好的狀況。」

「但話說回來，我們去資助研究，其實也是很有意義的。我需要思考這麼一個問題，為什麼要資助？資助我能得到什麼東西？我覺得資助至少得考慮三個方面——風險對衝、研究互補、人才培養。

第一個是風險的問題，全球量子人才都很短缺，這限制了我們研究課題的範圍，只能去研究一些很中心的問題，因此肯定會錯過很多其他有價值的研究問題。所以我們會積極支援別人的工作，讓別人研究我們關心的也是有巨大學術價值的問題。具體講，量子計算其他技術路線，都是我們希望緊密跟蹤的；而超導量子計算裡的核心問題，也是我們希望得到幫助的。第二個是對方能夠更有效率地幫我們解決我們必須解決的問題，從而降低我們研發成本。第三個是人才的培養，對方的學生博士後，儘管現在做的東西對我們沒有什麼直接價值，但若是最棒的團隊，我們也會考慮資助。

抽象地講，我覺得跟學校的合作，最後決定做不做，有三個衡量的準則——解決優先順序高的問題、製造非對稱性、感情好過得甜蜜。

第一個，是不是能夠解決我們優先順序高的問題，如果這個問題優先順序不高，我們可以先做點別的事情。第二個，是能不能產生一個非對稱性，讓我們在竟技場裡得到一個更本性的競爭力和壁壘。第三個則是跟這個團隊是不是有感情，因為科研這個東西，合作很難規定細則，感情不好沒有信任，做事效率就不高，也有被人拐走的風險。

「最近覺得過得甜蜜真的非常重要。」施堯耘重點強調了一下團隊間合作需要有「感情」。

「科學家保姆」施堯耘

去年建立阿里量子實驗室之後，施堯耘奔波世界各地。「我覺得自己就是一個量子態，杭州、西雅圖、北京……哪都有我！」

當介紹自己加入 AQL 這一年來的主要工作內容時，施堯耘依舊用特別生動的語言描述道，「我的主要工作是動腦筋和動嘴巴。動腦筋思考方向性的問題和規劃；動嘴巴是吸引人才加入，給領導提供決策的資訊和邏輯。」

施堯耘的求賢若渴也普遍反映了國內外所有量子計算實驗室及機構都希望招攬賢才的現狀。

「我低落的時候，會傷感現在已經基本不是科學家，墮落成科學家的管理者了。最近意識到其實是科學家的保姆。」

「我們每個人都是為量子來糾纏的，我的工作就是幫那些量子科學家們成功，因為他們成功的定義是實現量子計算，那也就是我的成功。」

聽說施老師還有一個連其團隊成員都猜不到寓意的英文花名「Vitruvius」？

「哈哈，你說『Vitruvius』，這是我大兒子特別喜歡的一個樂高電影裡的形象。他是有遠見的盲人 (visionary blind)，做著非常重要的事而又不忘找樂。所以起 Vitruvius 自我激勵的一種暗示吧！」施堯耘說。「這個形象的歷史原型是古羅馬的一位工程師和科學家，是建築學的鼻祖。他說他的理想建築有三個要求：「實用」，「堅固」，「美」。所以叫自己 Vitruvius 也是要求自己工作要「致用」、「致遠」、「致美」。」施堯耘又補充道。