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牛津大学量子物理博士，腾讯公司欧洲首席代表

翻译 | 鞠强

量子计算的研究正在取得快速的进展——但是一个新的时代真正到来了吗？

在今天，投身量子计算领域是令人激动的，因为量子计算已经被认为是会给计算机科学带来彻底变革的重要技术创新。利用量子力学的原理——使用量子位、叠加态、纠缠——去实现指数级的提升计算能力，这为在包括密码学、深度学习和量子化学在内的多个领域内获得突破性应用打开了大门。

量子计算领域内的研究进展非常显著，最有说明力的就是单个量子芯片上量子位数的增加。例如，在2016年，一个量子芯片上的最高量子位数低于10；但是像英特尔、谷歌和IBM在内的公司都已经宣布芯片上的量子位数得到了显著的提升（在50~72量子位的范围内）。

研究进步的同时，重要的投资伴随而来。其中既有来自私有部门的，也有来自公共部门的。例如，欧盟就在2018年10月宣布了首批10亿欧元量子技术旗舰基金的受助机构，美国也公布了相似水平的政府资助。在私有部门，诸如空中客车、洛克希德马丁、JP摩根这样的大公司都在和量子技术公司合作，以投资可能的用例。

更广泛地说，伴随着量子计算竞赛的延伸，一个技术公司的生态系统已经出现。这个生态系统的范围，从关注不同技术路径以创造量子位的量子硬件公司（比如像基于光子路径的PsiQ公司或者以离子阱为路径的IonQ公司），再到量子软件（例如1Qbit公司）。

最近，人们认为此技术不仅拥有巨大的前景，而且看起来一个重大突破即将发生。2019年9月，据报道，谷歌实现了“量子霸权”（Quantum Supremacy），首次证明量子计算机能在某些方面超越经典计算机。在量子计算机上执行某随机任务只需要200秒，相同的任务由目前世界上最强大的超级计算机执行需要超过一万年。2019年10月23日，谷歌终于在《自然》杂志公开发表了这篇论文，此前一天，IBM科学家表示，经典计算机只需花费2.5天时间就可以完成这项任务，而不是谷歌声称的一万年。

如果谷歌真的实现了量子霸权，那这将是量子计算一个非常重要的里程碑，说明谷歌量子位的数量和质量都达到了较高的水平，可以向更重要的完全纠错量子计算迈进。因此，伴随这个领域内令人眼前一亮的研究步伐，重大的投资和企业支持以及即将到来的里程碑——这意味着我们快要进入量子计算时代了吗？

量子霸权是一个重要的里程碑——但是它在近期不会带来实际的应用。

量子霸权的实现被很多人认为是进入量子计算时代的一个早期先决条件。但是这个量子霸权的里程碑究竟意味着什么？它指的是在某个时刻已经证实一台量子计算机可以完成某种特定的计算任务，而一台经典计算机却无法完成。注意，尽管这个任务本身并非必须是一个有意义的任务，而且事实上实现量子霸权只会实现有限的实际应用。

在寻求量子霸权的过程中被认为是处于领先位置的谷歌团队已经提出，用来演示量子霸权的任务是“随机量子线路采样”。一个量子线路可以被认为是在一个量子位的基本集上（通过量子门）完成的一系列操作的集合，同时用经典计算机复制这样一个量子线路的输出需要指数级增加计算能力，直到在某一刻不再行得通。

有人认为，如果使用带10个量子门（也就是“深度”为10）的量子线路、且对这些量子门来说误码率足够低的话，则当前尺寸约为50—100量子位的量子计算机就可以超越经典计算机。考虑到目前的实验水平和进展，量子霸权里程碑看起来确实可以在近期实现。

从研究的角度来看，实现这样一个里程碑将非常有意义。首先，它将意味着量子计算是真实且实用的——它不仅仅是一个理论概念而是有可能去制造真正的实物量子机器。它还可能预示哪种量子硬件路径会具可扩展性和耐用性。

其次，它会通过颠覆理论计算机科学最核心的原理之一—“扩展的邱奇图灵论题”而对理论计算机科学产生巨大的影响—这个论题说的是任何计算任务都可以在经典计算机（或称图灵机）上被有效地模拟。我们将第一次可以通过实验来说明经典计算的局限并不是实际计算的局限。

所以我们可以认为量子霸权是进入量子计算时代的早期第一步。

量子计算的早期时代将以中等规模带噪声量子器件（Noisy Intermediate Scale Qubits, NISQ）为中心。

接下来，要实现通用量子计算机，关键工程挑战是什么？很显然在一个量子芯片上物理量子位的数目需要达到某个大小才能实现量子霸权，但重要的附加因素是这些量子位的品质必须足够高。

为了说明这个，我们可以区分“逻辑量子位”和“物理量子位”。逻辑量子位是一个理论概念——在量子计算机中，可以根据量子机器的规则（例如，和其他量子位的纠缠，不同量子态的叠加以及指数级储存信息的能力）来进行操控的储存信息的一个单元。

然而，实际的物理量子位（比如一个陷获离子，或者一个电子自旋）受到诸如在计算中引入误差的外部干扰这样的现实世界挑战，意味着物理量子位是真正的量子逻辑量子位的糟糕近似。目前为了控制这些误差，需要很多额外的物理量子位来运行纠错码[例如通过一些技术手段，比如“面板码”(surface code)的使用。

误差的一个表征是门保真度（gate fidelity），也就是我们可以运行量子门运算的准确性（即被良好控制的纠缠运算作用在成对量子位上）。这些运算仍然有比经典计算门高得多的误码率。目前对双量子位门来说每个门（在陷获离子或者超导线路中）最好的误码率大约是0.1%（也就是每1000次操作出现一个误差），并且在一个芯片上物理量子位越多，保持这个水平就越难。

伴随着这样的误码率，加州理工学院教授约翰·普雷斯基（John Preskill）提出，我们正在进入一个中等规模带噪声量子（Noisy Intermediate Scale Qubits，NISQ）时代。在一个中等规模带噪声量子计算机的时代（从大约50到数百物理量子位），这些量子计算机还会继续有噪声，也就是说量子位的品质会相当低。这与发展完全纠错量子计算机的长期目标形成对比，完全纠错量子计算机产生的误差可以被压制在任意低的水平，而且可以开发具有很多逻辑量子位的量子器件。

中等规模带噪声量子计算机将是量子计算一个时代的开始，完全纠错量子计算会是未来的下一步——但是量子计算时代将会怎样改变我们周围的世界？

量子计算将会在需要对量子系统进行复杂模拟的领域内得到应用，因为“糟糕的是，自然不是经典的”。

量子计算机（包括在中等规模带噪声量子时代和向前发展进入完全纠错量子计算时代）最强大的应用之一，将会是在需要对真实世界中量子力学效应建模的领域内。有“量子计算之父”之誉的美国理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）这样解释：“糟糕的是，自然不是经典的，如果你想要模拟自然，你最好利用量子力学。”因此，我们在哪些地方可以期待量子计算机通过对真实世界量子系统的模拟产生影响？

下面强调一些最有前景的领域。

量子计算机目前的研究挑战和机遇

▌帮助开发新材料

使用量子计算机助力材料设计

• 新型先进人造材料的设计具备彻底变革诸如储能、建筑、先进电子设备和高端制造业等领域的潜力。

• 全世界花费在材料设计上的总支出，据估计在大约400亿美元左右，然而研究进展在很大程度上有赖于反复尝试的实验室过程，并且相当低效。研究人员期望得到的材料的性质取决于经典计算机无法模拟的亚原子（量子）效应。

• 量子计算机提供了更精确地模拟这些量子效应从而更好地预测材料在电子学、热力学和光谱学性质上的潜力，从而给这些领域带来突破，导致经过改进的动力传输材料和经过改进的太阳能收集材料的出现，等等。

• 由于真实世界分子相互作用受到“噪声”也就是来自它们周围的物理环境干扰的影响，即使易出错的量子机器（在中等规模带噪声量子时代）也能够有效地模拟这些分子，因为在真实世界环境中的“噪声”同来自低品质量子位的“噪声”类似。

▌帮助人类可持续生存

使用量子计算机去建模改进的化学过程

• 在量子层面上理解某些化学反应是如何进行的，以便于通过新的催化剂的开发提高这些反应的效率，提供了在可持续发展和能源消费等领域转型的潜力。

• 量子计算机将使我们有能力去更加准确地模拟、预测和理解某些催化剂在量子层面是如何起作用的，并导致潜在的新型催化剂的开发。

• 为了说明这个潜在影响，我们考虑用以生产氨等氮化合物的哈柏合成过程。这是一个高能耗过程——有人估计这项生产占据了全球总能耗的1%—2%，需要非常高的温度（约500℃）和压力（约200bar）并使用铁催化剂。然而，作为对比，植物可以在室温条件下自然完成这个过程，它们使用一种更加复杂的叫作铁钼辅因子（一种钼和铁的化合物）的分子来支持这个反应。在量子层面上理解这种分子是如何工作的，将使我们可以进行人工仿制，从而减少能耗，惠及可持续发展。

▌提升人类健康

使用量子计算机去模拟生物分子过程从而进行开发新药

• 今天发明药物的过程仍然复杂而昂贵——将一种新药投放市场需要花费大约20亿美元并且需要超过10年的时间。这个过程的一个关键部分是识别出当和生物靶区比如蛋白质联系在一起时可以表现出某些期望行为的分子。这些分子接下来就成为对抗疾病的候选药物。

• 虽然计算机辅助药物设计（Computer Aided Drug Design, CADD）已经在目前使用经典计算机的药物研究中扮演重要的角色，对和生物靶区联系在一起的候选药物的准确模拟仍然具有挑战性。这意味着药物研发中很大的一部分仍然基于低效的不断试错的过程，也就是试验很多不同的有潜力的分子，看看针对某个生物靶区的反应是否发生。

• 然而量子器件将有可能实现对参与到和生物靶区发生分子反应（被称为分子嵌合）的单个原子和力场（由量子物理支配）的更加准确的模拟。这将使得对那些有很大可能性成为药物候选的分子的识别成为可能，同时减少无效的实验室试验。

• 量子计算机还被寄希望于支持药物研发过程的其他方面——当设计药物的时候，理解分子的可综合性（人工创造这个分子有多容易）是整个过程中的一个关键部分。这个是通过模拟创造这个分子的化学反应来完成，同样是一个对量子计算机来说很适合的任务。

• 如果量子计算机的潜能能够被彻底开发，对于寻找治疗癌症、神经退行性疾病或者心脏病的新药的影响是非常巨大的。

所以，对量子计算来说现在是一个激动人心的时代。伴随着世界各地的不同研究和工程团队取得的快速进展，同时得到来自政府和公司的大量投资，在这条道路上的一些早期里程碑——比如说量子霸权——似乎很快就可以抵达。

这些里程碑将意味着我们正在进入量子计算的早期时代——中等规模带噪声量子时代，有50到数百的噪声量子位的量子器件将会开始得到发展并投入到早期用例中。

量子计算一些令人激动的最终应用将会是帮助我们更加精确地模拟和理解真实世界中的量子效应，比如在材料设计和新药开发领域。虽然大多数研究人员认为在这些领域内我们还无法获得充分的收益，直到我们开发出完全纠错量子计算，但我们仍然可以乐观地认为，即使是使用中等规模带噪声量子器件，我们也可以开始获得一些早期的认知及具体的应用。

所以，量子计算的时代即将到来。从今天使用中等规模带噪声量子计算机的研究到具有完全纠错能力的量子计算机，这一征程将是一段漫长的过程，但是，是时候开始为此做准备了！