量子计算机时代来临，但这些问题仍需解决

量子计算机需要解决量子噪声的问题，它会迅速破坏计算结果。（Josef Bsharah，广达杂志）

经过数十年的艰苦研究，希望渺茫，量子计算突然受到关注。大约两年前，IBM 打造了一台全球可用的量子计算机，这是一个拥有 5 个量子位计算资源的平台，名为“IBM Q”。但对于研究人员来说，它更像是一个玩具，而不是严肃的数据计算。但全球已有 70,000 人注册，该平台的量子比特数现已翻了两番。在过去的几个月里，IBM 和英特尔已经宣布他们分别制造了 50 位和 49 位的量子计算机，而谷歌被认为有一台量子计算机等待发布。柏林自由大学的物理学家 Jens Eisert 说：“这个领域有很多希望，而且最近的发展成果丰硕。”

有人认为“量子霸权”即将成为现实：届时，量子计算机可以超越当今最好的经典超级计算机。如果你比较两台计算机的比特数，这听起来像是一个幻想：50 个量子比特如何与你笔记本电脑中的数十亿个经典比特相匹配？但量子计算的重点在于，量子比特的计算能力远远超过经典比特。长期以来，人们一直认为，一台大约 50 位的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的计算任务。

从这些事件中，你可能会推断出所有的基本问题都已经在理论上得到了解决，未来量子计算机将无处不在，只需要处理工程问题。这个想法很诱人，但并不准确。量子计算机的物理基础问题远未解决，在制造过程中也不容易解决。即便我们即将见证“量子霸权”里程碑，未来一两年将决定量子计算机是否会带来一场计算革命。前面还有很多困难，谁也不能保证实现“量子霸权”的崇高目标。

什么是量子计算机？

量子计算机遭遇与挑战并存，我们有必要简要了解其背后的理论物理基础。经典计算机使用一串二进制数字（1 和 0））对信息进行编码和操作。量子比特的编码方式相同，只是它可以处于 1 和 0 的叠加状态，这意味着如果我们测量这对于量子比特，我们可能得到 1 或 0，测量 1 或 0 的概率是确定的。

为了对这些量子位中的许多进行计算，这些量子位需要处于相互依赖的叠加态——也称为“量子相干”状态，其中量子位相互纠缠在一起，一个量子位的变化会影响其他所有的量子位。这也意味着，对量子比特的计算运算所能达到的计算能力将超过经典比特。对于经典计算机，计算资源与位数成正比增长，而在量子计算机中，增加一个量子位会使计算资源翻倍。这就是为什么 5 个量子位和 50 个量子位之间的差异如此之大的原因。

请注意，虽然人们常说量子计算机由于存在叠加态而具有优势，与经典位相比，叠加态大大增加了可编码的量子位的数量，但我并不是这么说的。我也没有说纠缠态的存在允许同时执行多个操作。这些描述不能说是错误的，但它们都没有抓住量子计算的核心。

很难解释为什么量子计算如此强大，因为很难准确定义量子力学是什么。量子理论的公式确实表明，量子计算是可能的，至少对于因式分解或数据库查询等计算问题是可能的，它带来了巨大的计算速度提升。但没有人确切知道这是如何实现的。

最低调的说法可能是量子力学创造了经典设备所没有的“计算资源”。正如加拿大滑铁卢周界研究所的量子理论家 Daniel Gottesman 所说，“只要有足够的量子力学资源应用于计算，计算速度就会提高，否则就不会。”

但有些事情还是很清楚的。为了实现量子计算，你需要保持所有量子比特的一致性。这是非常困难的。量子相干实体系统与其周围环境的相互作用导致量子特性迅速消失，这一过程称为“退相干”。要建造量子计算机，科学家们必须尝试延长退相干时间，但目前的技术只能将时间延长到十分之一秒。随着量子比特数量的增加，与外部环境接触的可能性增加，延长退相干时间变得更加困难。这就是为什么，早在1982年，理查德·费曼就提出了量子计算机，而量子计算机的理论在1990年代初就形成了，但直到现在人们才能够进行有意义的计算。设备。

量子误差

量子计算面临另一个障碍。就像自然界中的任何其他过程一样，量子计算中也存在噪声。来自量子比特内部的热量、来自基本量子力学过程的随机波动都会干扰量子比特的状态，从而导致计算错误。经典计算中也存在噪声，但不难修复 - 您只需保留每个位的两到三个副本，以便轻松发现和剔除错误位。量子计算机研究人员提出了解决噪声问题的策略，但这些策略更多的是一种负担——你所有的计算能力都用于纠正错误，而不是运行算法。“现在的错误率严重限制了量子计算机可以执行的计算长度，”Andrew Childs 说，马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心联合主任。“如果我们想做一些有趣的事情，我们需要一个比这更好的策略。”

量子计算的许多基础研究都集中在计算纠错问题上。该领域更棘手的问题源于量子系统的另一个关键特性：叠加态只有在你不观察量子比特的值时才会保持。如果你测量，叠加塌陷到某个值：1 或 0。所以问题是，如果你不知道量子比特的状态，你怎么知道这个量子比特是不是错了？

一个巧妙的想法是通过将要观察的量子位与不参与计算的辅助量子位耦合来进行间接观察。人们可以探测辅助量子位，而不会导致被测量子位的状态崩溃。然而，这个想法实现起来更复杂。这种解决方案意味着，为了形成一个真正的“逻辑量子位”进行纠错，你需要很多物理量子位。

需要多少？哈佛量子理论家艾伦·阿斯普鲁-古兹克估计，今天需要大约 10,000 个物理量子位来制造一个逻辑量子位——一个完全不切实际的数字。不过他也认为，随着技术的进步，这个数字可以减少到几千甚至几百。Eisert 不那么悲观，他认为大约 800 个物理量子比特可能就足够了，但即便如此，他认为这对计算资源来说是一个巨大的开销。现在，我们需要找到新的方法来处理容易出现编码错误的量子比特。

纠错的另一种选择是避免或消除它们的影响：也称为“错误缓解”。例如，IBM 研究人员正在开发一种策略，试图找出在一次计算中可能出现多少错误，以推断理论上的“零噪声”限制。

一些研究人员认为，纠错问题将是棘手的，将阻碍量子计算机各种雄心勃勃的目标的实现。“创建量子纠错码比证明量子霸权更困难，”以色列耶路撒冷希伯来大学的数学家 Gil Kalai 说。他还补充说：“没有纠错的设备对于计算来说太原始​​了，不可能在此基础上建立霸权。” 换句话说，虽然量子计算机仍然失败，但它永远无法超越经典计算机。

其他人则认为问题最终会得到解决。IBM Thomas J. Watson 研究中心的量子信息科学家 Jay Gambetta 说：“我们最近在 IBM 的工作在小型设备上实现了量子纠错的基本要素。” 这为长期存储量子信息铺平了道路。” 即便如此，他承认，“要实现使用逻辑量子位的容错通用量子计算机还有很长的路要走。” 这样的发展让 Childs 谨慎乐观：“我相信我们会看到纠错方面的实验性改进，但我们距离将这项技术应用于实际计算还有很长的路要走。”

与错误共存

目前，量子计算机容易出错，问题是我们如何处理错误。在 IBM，研究人员正在讨论一个名为“近似量子计算”的术语，试图找到适应噪声的方法。

使用容忍错误的算法，我们能够在嘈杂的情况下获得正确的结果。这就像在大选中，人们可以通过消除一些错误的选票来获得正确的选举结果。“足够大和高保真的量子计算机肯定具有经典计算机所没有的一些优势，即使它偶尔会受到噪声的影响，”甘贝塔说。

Lucy Reading - Ikkanda/Quanta 杂志

在这个阶段，噪声容限最直接的应用是在原子水平上模拟物质。这可能是科学家们最有价值的领域，实际上也是费曼提出量子计算机的最初动机。量子力学方程规定了一种计算特性的方法，可用于计算例如药物分子的反应稳定性和化学反应性。在经典情况下，必须进行许多简化来解决这些问题。

Childs 认为，电子和原子的量子行为“非常接近量子计算机的原始行为”。所以我们可以使用量子计算机来建立分子的精确计算机模型。“该领域的许多人认为，此类设备有望在量子化学和材料科学中广泛应用，”正在朝这个方向推动量子计算的 Aspuru-Guzik 说。

量子模拟已经在一些非常小的量子计算机上证明了它们的价值。包括 Aspuru-Guzik 在内的研究小组开发了一种称为变分量子本征求解器 (VQE) 的算法，该算法可以在存在噪声的情况下有效地找到分子的最低能量状态。虽然到目前为止，该算法只能处理带有少量电子的小分子，但经典计算机完全有能力完成同样的工作。但其性能逐渐提高，去年 9 月 Gambetta 和他的合作者展示了使用 IBM 的六量子比特设备计算分子电子结构的能力，包括氢化锂和氢化铍。这项工作是“向量子霸权的飞跃” 苏黎世瑞士联邦理工学院的物理化学家 Markus Reiher 说。“使用 VQE 对小分子结构进行建模是最近使用启发式算法的一个引人注目的例子，”Gambetta 说。

即便如此，Aspuru-Guzik 承认，如果量子计算机要真正开始超越经典设备，具有纠错功能的逻辑量子位是必不可少的。“我非常期待实现具有纠错功能的量子计算机的那一天。”

“如果我们有超过 200 个逻辑量子比特，我们就有机会在量子化学方面超越经典计算机，”Reiher 补充道。“如果我们拥有 5000 个这样的量子比特，量子计算机将彻底改变这一领域。”

你知道多少计算能力？

尽管实现这一目标存在一些挑战，但量子计算机仅用了一年多的时间就从 5 个量子比特发展到 50 个量子比特，这一快速发展点燃了希望。但我们不应该自满，因为这只是量子计算机的一个方面。重要的不仅仅是你有多少量子比特，而是你的量子比特表现如何以及你的算法有多高效。

任何量子计算都需要在退相干效应扰乱量子比特之前完成。通常，一组组合的量子位具有几微秒的退相干性。在这短暂的时间内可以执行的逻辑操作的数量取决于门的切换速度量子计算机现在多少比特，如果切换时间过长，那么拥有尽可能多的量子比特是没有用的。计算需要操纵门的次数称为“深度”：显然深度较小的算法更可行，但这样的算法是否可以用于执行有价值的计算是另一个问题。

此外量子计算机现在多少比特，并非所有量子位都同样嘈杂。从理论上讲，特定材料的拓扑电子态可以形成低噪声量子比特，其电子态编码不受随机噪声干扰的二进制信息。微软研究人员正在特殊量子材料上寻找这种拓扑状态，但他们无法保证找到或控制它们。

IBM 研究人员用“量子体积”来描述量子计算机的计算能力，该参数考虑了所有相关因素：量子比特的数量和相关性、算法深度以及量子门参数的其他属性。“量子容量”的概念可以充分描述量子计算的能力，甘贝塔认为，开发能够增加量子容量的量子计算硬件势在必行。

这就是为什么现在夸大的“量子霸权”概念显得如此不切实际。50 量子位量子计算机的性能优于最先进的超级计算机的画面令人着迷，但也留下了许多悬而未决的问题。量子计算机更擅长什么？你怎么能确定量子计算机在没有经过可靠的经典设备检查的情况下得到了正确的答案？你怎么知道经典计算机不能用更好的算法做得更好？

所以“量子霸权”是一个需要谨慎对待的概念。越来越多的研究人员现在倾向于使用“量子优势”，该公式指的是量子设备的速度改进，而没有断言哪个设备更占主导地位。出于种族和政治原因，对“霸权”一词的反感也越来越高。

不管叫什么名字，量子计算机可以超越经典计算这一事实意义重大。“定义一个明确的量子优势将是一个重要的里程碑，”Eisert 说，这表明量子计算机可以真正扩展其技术可能性。

确定“量子优势”，这可能比实际更具象征意义。但是这样的事情仍然很重要，因为如果量子计算要成功，它不仅会发生在 IBM 或谷歌这样的公司突然出售他们的新设备上，还需要开发人员和用户之间的充分互动。这就是为什么 IBM 和谷歌都热衷于向公众开放量子计算设备。在 IBM 的 16 位量子位计算机向所有注册用户开放后，20 位版本也可供摩根、戴姆勒、本田、三星和牛津大学等企业客户使用。客户不仅可以探索量子设备的用途，还可以创建一个讲量子的社区，帮助开发人员解决任何一家公司都无法单独解决的问题。

“为了让量子计算起飞和开花，我们必须让世界使用它并从中学习，”甘贝塔说。“全世界的科学家和企业都应该关注量子计算时代的到来。”