在量子计算研究的早期，从事该领域工作的人经常遇到怀疑。20年前，著名的物理学家告诉现在澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales）的理论物理学家苏珊·科珀斯密斯（Susan Coppersmith）说，她“在浪费时间，而且量子计算永远不会起作用，因为纠错的困难。”但进步已经导致人们态度的逐渐转变。

加州理工学院的约翰普雷斯基尔（John Preskill）是该领域的一位主要理论家，他说，在过去几年里，他观察到了对商业化的期望值的转变，这种转变“反映在科技公司和风险投资的增加上”。他说，这种转变推动了进步，为年轻人创造了机会。不过，他警告说，“没人知道我们什么时候会有应用程序在量子平台上运行。我担心这种期望可能会被夸大到时间尺度上。”实现一台有用的量子计算机的预测时间跨度从几年到几十年；IBM和谷歌的主要竞争对手都瞄准了本世纪末。

导致态度转变的里程碑包括加拿大D-Wave公司于2015年上市的第一台商用量子计算机，以及IBM于2016年推出的第一台可公开访问的基于云的量子计算机（参见“IBM宣布‘计算量子时代的开始’”，“今日物理在线”，2016年5月4日）。同年，一些离子阱系统的错误率下降到0.1%以下。2019年10月，谷歌大张旗鼓地展示了量子优势，它进行了一个被认为对经典计算机来说不切实际或不可能实现的计算：它用53个量子比特，或者说量子比特，在200秒内解决了一个数学问题，而这个问题在高性能计算机上要花更长的时间。一台超级计算机所需的实际时间存在争议，谷歌声称拥有数千年的历史，而IBM则表示，它的Summit超级计算机可以在2.5天内完成。

然而，实现有用的量子计算机仍然存在障碍。量子比特的数量需要扩大。量子比特不仅用于计算，而且用于修正由于脆弱量子态的退相干而产生的误差。必须设计和建造工程基础设施。必须创建算法。

2013年创立谷歌量子人工智能实验室的哈特穆特·内文（Hartmut Neven）将量子计算的现状与激光干涉仪引力波天文台发现前的日子相比：“建造这样精确的仪器非常困难，但更大的担忧是，是否会有足够多的黑洞或中子用它来观察星星？“迟早会有一个可靠的量子计算机被实现，”他继续说。“我更担心发现风险：我们是否会找到科学和商业上有价值的算法，使投资有价值？”

初始化、操作、测量

量子计算的力量在于量子比特的量子性质。在经典计算中，一个比特的值可以是0或1；量子比特的值可以是0、1，或者是0和1的叠加。加州大学圣巴巴拉分校的实验物理学家约翰·马丁尼斯说，有2个量子比特，就有4个可能的状态；有3个，有8个，有2个N；50个量子比特，计算能力超过了经典的超级计算机。“当你达到300个量子比特时，2300个已经超过了宇宙中原子的数量，所以你永远无法制造出一台经典的计算机，它的计算能力与量子计算机有一天可能会做的事情相媲美。”

谷歌在2019年10月展示了量子优势。上图中，该公司位于加利福尼亚州圣巴巴拉的实验室的科学家和工程师维护着稀释冰箱中的梧桐（右）芯片，完成了里程碑式的计算。该芯片的53个超导量子位在几分钟内就完成了这一计算，而在传统计算机上计算时间要长得多。（图片由Google AI Quantum提供。）

用于实现计算的各个步骤的量子逻辑门可以在单个量子比特或对上运行。为了创建量子算法，“你必须学习新规则，”马丁尼斯说，他在春季与谷歌分道扬镳，并于9月加入了澳大利亚初创公司Silicon quantum Computing，担任了6个月的内部顾问。“从跳棋到象棋。有了量子比特，你就有了一套增强的规则，一套更丰富的门。”

实现物理量子位的方法有几种。许多是基于超导隧道结（见《今日物理学》，2009年7月，第14页）或半导体量子点（见Lieven Vandersypen和Mark Eriksson的文章，《今日物理学》，2019年8月，第38页）。这种制造出来的量子位可以大量制造，研究人员可以调整它们的能级来调整它们的行为。其他的实现使用被捕获的离子或中性原子的自旋。（参见Ignacio Cirac和Peter Zoller的《今日物理》文章，2004年3月，第38页；David Weiss和Mark Saffman，2017年7月，第44页。）在囚禁离子或中性原子系统中，量子比特本质上是相同的，它们保持相干性的时间比超导或半导体量子比特更长。

“你可以在自然界中发现许多量子力学的双态系统，”内文说。“如果你能初始化、操作和测量它们，那就是量子比特。你可以形成一种抽象的编程语言，不管背后是什么，最终的结果看起来都是一样的。

加拿大安大略省滑铁卢大学量子计算研究所（University For quantum Computing）创始人、前所长雷蒙德•拉弗拉姆（Raymond Laflamme）表示，目前，离子阱和超导量子位被广泛认为是量子计算机的主要候选设备。他研究用于量子计算的核磁共振系统。他说，这种方法对于学习如何控制量子比特很有意思，但是核磁共振并不是用来建造大型量子计算机的。

隔离与互动

在过去的几年里，量子计算机的规模和功率不断增加。“量子计算已经到了量子计算还不实用的阶段，”马丁尼斯说，“但它对量子计算的研究是有用的，这本身就非常有趣。”他引用了这样的问题，量子比特的物理性质是什么？制约因素是什么？你能用量子位元来解决你用其他方法无法解决的问题吗？“困难在于量子计算机很难制造。”通常，量子比特连接在一起越多，退相干的速度就越快。马丁尼斯说：“这是一种在让量子比特相互交流而不与外界交流之间的权衡。”。对于谷歌的量子霸权演示，他补充道，“我们能够通过芯片设计解决问题。”

“退相干发生的速度可以决定一个量子比特的成败，”Coppersmith说，他专注于半导体量子位。“理解量子相干性将对量子计算产生巨大影响。”

许多研究人员预计，可能的初步应用是在量子化学和材料科学。利用量子计算机进行模拟可以产生更有效的电池和分子来清洁环境。（例如，见“量子计算机模拟化学反应”，物理今日在线，2020年9月8日。）

量子计算可能擅长的另一类问题是优化，例如著名的“旅行推销员”问题，其目的是找到最短的路线来敲门。马丁尼斯解释说：“人们希望量子计算可以通过同时观察所有状态来做得更好。”。优化问题——如何选择飞机航线，使投资组合多样化等等——无处不在。

如何知道量子计算机的结果是否正确？对于某些任务，例如分解数字，检查答案很容易。这是一项重要的任务：实现彼得·肖尔1994年提出的大数分解算法，有助于破解加密信息和加密未来数据。其他简单的计算也可以进行测试。对于更复杂，不稳定的算法，研究人员必须跳到信任他们的量子计算机。

错误和噪音

这种信任需要纠错，而纠错又意味着冗余建设。（参见Preskill，Physics Today，1999年6月，第24页）对于许多量子比特方法，冗余可能是庞大而昂贵的。超导系统的量子比特错误率目前约为0.5%。为了使纠错有效，马丁尼斯说，“你需要降到0.1%”一个系统可以通过检查冗余的量子位是否处于相同的状态来进行错误采样，而不必通过实际读取来干扰系统。

在最近的arXiv预印本中，马里兰大学的实验物理学家chrismonroe和他的同事报告说，用13个物理量子比特编码的逻辑量子比特的错误率为0.3%。位于马里兰州的创业公司IonQ的联合创始人门罗（Monroe）说，与其他量子计算方法所采用的冗余相比，物理量子比特的数量少是有可能的，因为离子阱系统的错误率低且连接紧密。“这为被困离子提供了一条清晰的放大途径。”

位于马里兰州的创业公司IonQ将镱-171离子链装入离子阱中作为量子比特。激光与基态之间的频率差被调谐到基态。离子被困中心的细条尺寸为1.2毫米×4毫米。

与此同时，许多研究人员正在寻找当前系统的可能应用。在噪声中尺度量子（NISQ）计算领域，我们的想法是编写只需很少的门操作的算法，这样它们就可以在系统被退相干所淹没之前运行。“NISQ是我们在进行纠错之前要做的事情，”杜克大学物理学家、IonQ联合创始人金正生（Jungsang Kim）说。（参见安妮·松浦晃晃、索尼卡·乔里和贾斯汀·霍加博姆的文章，《今日物理学》，2019年3月，第40页。）

“我们必须找出NISQ的用处，然后创造价值，让人们再投资，”Kim说。“这将触发经济发展。”创造了“量子至上”和“NISQ”两个词的Preskill也同意：“我们需要实际应用来点燃一个良性循环。”去年夏天，亚马逊利用Preskill为公司的量子计算计划（quantum computing initiative）。

在对有用的量子计算机的竞争中，一匹可能的黑马是成立5年的帕洛阿尔托（Palo Alto）的PsiQuantum，它采用光子学方法来处理量子比特。该公司正在超越NISQ，目标直接是纠错。公司创始人之一、前物理和电气工程教授杰里米•奥布莱恩（Jeremy O'Brien）说：“魔法在于如何设计出与半导体行业兼容的架构。”。该公司将硅晶圆组装成数千个光子元件，这些元件包含波导管，用于携带对量子位进行编码的单个光子。他说：“我们打算将10万个物理量子位提炼成一个逻辑量子位。”。“虽然很贵，但值得付出的代价。”

奥布莱恩预测，在短短几年内，PsiQuantum将拥有一台拥有一百万逻辑量子比特的有用量子计算机，其速度比从事其他量子比特工作的人所承诺的要快。今年春天，该公司的风险投资达到25亿美元大关。奥布莱恩说：“我不再需要让人们相信这很有趣。”。“我得用棍子把他们挡开。”

大卫·迪维森佐说，关于量子比特的哪种方法成功的问题归根结底是谁把所有必要的部件组合在一起，使量子计算机做计算机科学家希望它们做的事情。这位理论物理学家的总部设在德国的Jülich研究中心，该中心是一个联盟的中心，致力于作为欧盟（EU）量子旗舰计划的一部分开发量子计算机。

多部门努力

公司、大学研究人员和政府正在进入量子计算领域。中国、日本和其他国家正在投资量子计算。2018年12月，特朗普总统签署了《国家量子计划》（National Quantum Initiative）成为法律，其中包括制定了该领域的10年计划。作为这项计划的一部分，美国在8月份宣布了对新的人工智能和量子信息科学研究机构的奖励。这项倡议和2018年推出的欧盟旗舰计划，都是对量子信息科学未来商业潜力的大约10亿美元押注。

欧盟量子计算机研究中心的协调人弗兰克•威廉•莫奇（Frank Wilhelm-Mauch）说：“社区正在迅速发展，公司可以完成大学里很难完成的有意义的工程。”。公司还可以将大型跨学科团队聚集在一起。他说：“在学术界和学术时间尺度上，这是极难做到的。一些大公司正在投资巨额资金，他们可以比政府或学术研究人员更灵活地进行投资。

到目前为止，越来越多的公司正在通过云提供量子计算，除了IBM之外，名单上还包括微软、霍尼韦尔、阿尔卑斯量子、D-Wave、Rigetti计算、QuEra和Atom计算。谷歌计划很快推出一个最高级别的系统。今年8月，IonQ通过亚马逊Braket云平台向公众开放了一款11量子比特的量子电脑，10月1日，它推出了一款32量子比特的量子电脑。Wilhelm-Mauch指出，在将量子计算机放到云端的过程中，公司引起了计算机程序员、风险投资家和想要探索的学生的兴趣。他说：“这是一项伟大的服务，并使这一领域发展得更快。”。广泛的访问可以加速有用算法的发现。

Jan Benhelm在苏黎世仪器公司（Zurich Instruments）领导产品管理，该公司开发控制电子和软件，将量子比特与高级软件和应用程序连接起来。他说，大学是开发新的高风险技术的绝佳场所，他说，“探索新的量子比特、新的门、新的算法。”但考虑到学术界对出版业的重视以及许多大学研究人员没有固定职位的事实，他说，“大学的激励模式在你想要的时候并不支持你扩大规模。”

越来越多的初创公司和大公司正在量子计算领域中占据一席之地。一个是安大略省基奇纳市的Quantum Benchmark，它为qubit设计人员提供软件诊断，以测试他们的计算是否按预期执行。泰博电子制造的任意波形发生器与数字化仪集成，控制和读出超导量子比特。

“这一领域正在取得良好进展，”马丁尼斯说。“这是一个良好的乐观和一点炒作的混合体。”威廉·毛奇说，量子计算机何时会有用还很难说。不过，就目前而言，由于零部件种类繁多，“就像淘金热时期一样：受益的是铲子制造商。”

原文：https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4612

本文：http://jiagoushi.pro/node/1283

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