前言

隨著信息產業的高速發展，人們對算力的需求遠遠超過以往任何一個時代.為了實現更強大的數據處理能力，各種具有潛在顛覆性影響的計算理論和計算模型獲得了越來越多的關注.量子計算作為其中最炙手可熱的研究方向之一，在過去的幾十年間，相關的理論和實驗研究成果都取得了長足的進展.量子計算是一門由數學、計算機科學和量子物理學相結合的交叉學科，通過利用量子狀態的相干性、糾纏特性、不可克隆性等量子力學基本原理，量子計算在實現某些計算任務時表現出了超越經典計算的計算能力，譬如較經典算法呈指數量級加速的解決整數素因數分解問題的Shor算法、較經典算法有平方量級加速的解決無序數據庫搜索問題的Grover算法和解決線性方程組求解問題的HHL算法等.

本專題共收錄了7篇論文，分別從量子算法、量子編譯、量子容錯性、量子體系結構和量子信息等方面對量子計算進行了介紹，反映了國內學者近期在量子計算理論研究方面的最新研究成果.

量子算法設計主要研究如何利用量子計算的特性來對各種計算問題的求解進行加速，是量子計算能夠超越經典計算的核心關鍵.何鍵浩等作者的論文《量子優化算法綜述》全面介紹了如何利用量子計算加速優化問題的求解，文章梳理了近20年來利用量子計算加速優化問題的主要設計技術，并側重介紹近5年來連續變量優化算法的相關技術.潘世杰等作者的論文《量子譜回歸算法》探討了如何用量子計算技術改進子空間學習算法的復雜度.文章指出了之前量子譜回歸算法的局限性，并采用了量子奇異值估計技術改進了原算法，使得在處理稠密矩陣時相對原算法有多項式加速.同時，文章提出了一個新的對經典高效譜回歸進行加速的算法，能處理原來量子算法無法處理的問題.

在利用量子力學的特性獲得超越經典計算的加速能力的道路上，量子算法的設計并非任務之全部.當有了一個好的量子算法之后，如何在量子設備上實現該算法同樣是至關重要的問題.受限于目前量子計算設備的局限性，至少有2個問題亟待解決.首先是量子糾錯的問題.量子設備總是具有誤差的，并不能完美地實現理論上量子門所描述的效果.若不對這些錯誤加以處理，錯誤的積累會使得量子算法的實施變得毫無意義.張宇鹍等作者的論文《量子錯誤緩解研究進展》介紹和總結了量子錯誤緩解技術的最新進展，并展望了該技術未來發展的前景與方向.錯誤緩解是在含噪聲中等尺度量子設備時代一種對錯誤進行壓制的技術，相對量子糾錯而言不需要巨大的開銷，它允許僅通過中等大小的額外資源來獲得可接受的計算精度，并在理論及實驗上展示出了其可行性.第2個問題是量子比特映射.受限于目前量子計算設備的設計，并不是任何2個量子比特之間都可以放置量子門，即使可以放置，其錯誤率也并不相同.量子比特映射問題就要研究如何將量子算法映射至量子芯片中的健壯區域上，以獲得更高成功率.竇星磊等作者的論文《面向超導量子計算機的程序映射技術研究》介紹了量子程序映射的相關成果，并對相關研究進行分類，深入分析了其特點與區別，同時針對并發量子程序映射問題提出了一種新的映射策略.除了以上2個問題之外，目前量子計算機的發展相對經典計算機來說還處于非常早期的階段，量子比特如何實現、量子算法如何轉化成可實現的量子電路、硬件軟件如何協同開發等問題都沒有統一的解決方式.付祥等作者的論文《一種面向含噪中尺度量子技術的量子-經典異構計算系統》則探討了量子系統的構建方式.文章對比了量子計算與經典計算在控制及執行上的異同，并在此基礎上提出了面向NISQ時代的量子經典異構系統.以一個典型的NISQ算法(迭代相位估計算法)為例，文章介紹了量子算法從軟件描述到硬件執行的整體流程，及與該過程相關的高級程序設計語言、編譯器、量子軟硬件接口和硬件等.在此基礎上討論了流程中各個層次在NISQ時代面臨的挑戰.

另外2篇論文側重于對量子計算的根基——量子狀態的相干性、糾纏特性、不可克隆性以及不確定性等量子力學基本原理的探討.李萌等作者的論文《兩硬幣量子游走模型中的相干動力學》討論了量子游走模型，這是量子計算的一個重要模型，而多硬幣量子游走模型由于其在量子通信協議中表現突出而越來越受到人們的關注.文章主要對一維圓周上兩硬幣量子游走模型的量子相干性進行了分析，該分析不僅能刻畫量子態的特點，也可以反映量子演化過程的性質.張淑儀等作者的論文《量子假設檢驗互信息》討論了von Neumann互信息，這是Shannon互信息在量子信息中的推廣，在量子信道容量中有重要的應用.由于量子態的非對易性，許多經典信息論中的量化在量子信息中有完全不等價的推廣定義.量子假設檢驗相對熵來自于假設檢驗問題，是量子信息處理中常用的基本量化之一.在該文中則主要使用了量子假設檢驗相對熵討論量子互信息的一些性質.

當前美歐主要國家都在積極部署量子計算的發展，國家《十四五規劃和2035年遠景目標綱要》中也強調了要加快布局量子計算，然而目前國內量子計算領域的人才非常缺乏，特別是計算機領域從事量子計算的科研人員還很少，非常感謝《計算機研究與發展》出版“量子計算”專題，希望本專題能夠吸引更多的科研人員投入到量子計算的研究中來，推動國內量子計算科學的研究.