量子的未來等待在前

雅各布·泰勒

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

從20世紀80年代的最初幾步直到現在，全球的科學和國防機構支持了量子信息科學的基礎性研究，使得先進的傳感技術、通信技術和計算系統成為可能。近期設備性能和量子比特方法上的改進顯示，適度規模的量子計算機在近未來可能成真。這一進展已經讓科學界將關注重心放到設備研發上來，并且引來了數目可觀的新產業投資。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的運算結果。

實現這樣的量子計算優越性自然是個首要目標。然而，事實表明，有時候，設計一種經典計算機來逼近量子系統，這對于解開某些問題的目的已經夠用。不僅如此，大多數量子設備都有差錯，隨著問題變得越來越復雜，產生正確結果的可能性也降低了。只有運用量子復雜性理論中的大量數學知識，我們才能真正區分“極難”解決的問題和那些只是“真的好難”的問題。這種經典計算和量子計算的區分一般描述為接近式量子優越性。一臺演示了這種區分的設備確實應該被稱為全球第一臺量子計算機，它標志著理論計算機科學前進了一步；在某種程度上，甚至標志著我們對宇宙的理解前進了一步。

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

一旦量子計算機成真，下一步是什么？在未來的10年里，我們可以預期，運用量子設備后，一些解決問題的步驟將會優化得快得多。我們也能預期，概率分布的高效抽樣——機器學習算法的理論版本——將會變成量子計算機能發光發熱的領域。長久來看，誤差校正和因子分解可能進一步改變領域的面貌。

然而，最容易達成的目標會是改善我們運用量子力學的能力。過去，我們比較經典計算技術與實驗觀測到的結果，對量子力學知識予以完善——從解決微分方程式到蠻力仿真，再到化學和材料科學中的新逼近法，都是如此。假如量子計算的優越性達成，我們也許能夠在不需要這類比較的情況下測試新技術。這會縮小從科研到轉化的周期。

白宮科學技術政策辦公室旨在促成這些成果，已經建立起新的部門間工作組，它的任務是組織制定全國性戰略，通過在政府、學界和產業之間協調研究，培育完整的量子研究生態系統。這將包括跨越社群壁壘和跨學科的合作協議，為的是確保未來擁有強大的、熟悉量子科學的勞動力。再匹配上全球范圍的共同努力，這樣應該允許我們捕捉到科學新視野的一星半點，并發展出新技術和新興產業，而這些都是對量子信息科學的投入可能帶來的成果。