量子的未來等待在前

雅各布·泰勒

一個世紀(jì)之前，量子革命靜悄悄地開始改變我們的生活。更深入地理解物質(zhì)和光在原子和亞原子尺度上的行為，觸發(fā)了一個全新的科學(xué)領(lǐng)域，進(jìn)而廣泛地改變了世界的技術(shù)面貌。如今，我們有許多應(yīng)用依賴于量子力學(xué)，從全球定位系統(tǒng)到核磁共振成像，再到晶體管，不一而足。量子計算機(jī)的出現(xiàn)預(yù)示著這個故事的另一個新篇章，它將使我們不僅能預(yù)測和改進(jìn)化學(xué)反應(yīng)（比方說新材料和它們的性質(zhì)），而且提供了對于時空和宇宙緣何出現(xiàn)的洞察。這些進(jìn)展可能在未來數(shù)年內(nèi)開始實(shí)現(xiàn)。

從20世紀(jì)80年代的最初幾步直到現(xiàn)在，全球的科學(xué)和國防機(jī)構(gòu)支持了量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)性研究，使得先進(jìn)的傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算系統(tǒng)成為可能。近期設(shè)備性能和量子比特方法上的改進(jìn)顯示，適度規(guī)模的量子計算機(jī)在近未來可能成真。這一進(jìn)展已經(jīng)讓科學(xué)界將關(guān)注重心放到設(shè)備研發(fā)上來，并且引來了數(shù)目可觀的新產(chǎn)業(yè)投資。就算在全球最快的超級電腦上，我們也無法模擬出量子計算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)這樣的量子計算優(yōu)越性自然是個首要目標(biāo)。然而，事實(shí)表明，有時候，設(shè)計一種經(jīng)典計算機(jī)來逼近量子系統(tǒng)，這對于解開某些問題的目的已經(jīng)夠用。不僅如此，大多數(shù)量子設(shè)備都有差錯，隨著問題變得越來越復(fù)雜，產(chǎn)生正確結(jié)果的可能性也降低了。只有運(yùn)用量子復(fù)雜性理論中的大量數(shù)學(xué)知識，我們才能真正區(qū)分“極難”解決的問題和那些只是“真的好難”的問題。這種經(jīng)典計算和量子計算的區(qū)分一般描述為接近式量子優(yōu)越性。一臺演示了這種區(qū)分的設(shè)備確實(shí)應(yīng)該被稱為全球第一臺量子計算機(jī)，它標(biāo)志著理論計算機(jī)科學(xué)前進(jìn)了一步；在某種程度上，甚至標(biāo)志著我們對宇宙的理解前進(jìn)了一步。

雅各布·泰勒（Jacob M .Toylor) 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所研究員，白宮科技政策辦公室量子信息科學(xué)助理主任

一旦量子計算機(jī)成真，下一步是什么？在未來的10年里，我們可以預(yù)期，運(yùn)用量子設(shè)備后，一些解決問題的步驟將會優(yōu)化得快得多。我們也能預(yù)期，概率分布的高效抽樣——機(jī)器學(xué)習(xí)算法的理論版本——將會變成量子計算機(jī)能發(fā)光發(fā)熱的領(lǐng)域。長久來看，誤差校正和因子分解可能進(jìn)一步改變領(lǐng)域的面貌。

然而，最容易達(dá)成的目標(biāo)會是改善我們運(yùn)用量子力學(xué)的能力。過去，我們比較經(jīng)典計算技術(shù)與實(shí)驗(yàn)觀測到的結(jié)果，對量子力學(xué)知識予以完善——從解決微分方程式到蠻力仿真，再到化學(xué)和材料科學(xué)中的新逼近法，都是如此。假如量子計算的優(yōu)越性達(dá)成，我們也許能夠在不需要這類比較的情況下測試新技術(shù)。這會縮小從科研到轉(zhuǎn)化的周期。

白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室旨在促成這些成果，已經(jīng)建立起新的部門間工作組，它的任務(wù)是組織制定全國性戰(zhàn)略，通過在政府、學(xué)界和產(chǎn)業(yè)之間協(xié)調(diào)研究，培育完整的量子研究生態(tài)系統(tǒng)。這將包括跨越社群壁壘和跨學(xué)科的合作協(xié)議，為的是確保未來擁有強(qiáng)大的、熟悉量子科學(xué)的勞動力。再匹配上全球范圍的共同努力，這樣應(yīng)該允許我們捕捉到科學(xué)新視野的一星半點(diǎn)，并發(fā)展出新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)，而這些都是對量子信息科學(xué)的投入可能帶來的成果。