经过数十年耐心的科学基础研究，“量子计算”的概念在过去几年里，不仅在实验室，而且在谷歌、微软和IBM等商业公司，甚至在广大公众中，都更加频繁的出现，引起人们极大的兴趣。激发人们极大兴趣的原因是成功的实验室演示系统和模拟，包括捕获离子系统、超导电路和其他平台中的多量子比特（qubits）。量子计算机能够在广泛的问题上超越最好的经典计算机，但是从这些演示到乐观主义者所设想的那种通用的、容错的量子机器还有很长的路要走。但是还有另外一些人质疑这种机器是否可能实现。5月6日，星期一，这个问题构成了在美国加利福尼亚州圣何塞举行的CLEO会议上的一个研讨会的背景，研讨会的题目颇具煽动性，“量子计算真的有用吗?”“这次会议由澳大利亚悉尼大学的OSA研究员本·艾格尔顿（Ben Eggleton）和美国国家标准与技术研究所（NIST）的塔拉·福蒂尔（Tara Fortier）和安德鲁·威尔逊（Andrew Wilson）组织，汇集了五位在量子计算和技术各个方面工作的专家来讨论这个问题。虽然研讨会上没有明确回答会议的标题问题，但讨论强调了未来道路上可能需要一些关键里程碑，这些里程碑可能会延续数十年而不是数年。

设计师在量子模拟器中绘制了一个2017年的实验中捕获的离子。[图片：E.Edwards/JQI]

威尔逊担任会议的主持人，他开始时对这一主题日益增长的科学和公众兴趣表示赞同。他指出：“我们大多数人都听到了有关量子计算可能产生的影响的惊人说法，其中一些惊人的说法来自科学家本身。”这刺激了全球各国政府在量化举措方面的支出上升，以及商业公司和投资者的兴趣。“我们现在大胆地宣称未来是量子的，”威尔逊说。他继续说，有些人将量子计算机的探索比作寻找圣杯。“但有时很难弄清楚你是在寻找一些很难找到的东西，比如圣杯，还是在寻找一些不可能找到的东西，比如独角兽。”

IBM公司量子计算部门的高级经理乔杰瑞（Jerry Chow）谈到了“圣杯”的主题，他认为这个圣杯是一种“通用的、容错的量子计算机，与经典计算机相比，它在处理过程中会有明显的加速”。这样一个通用的机器现在并不存在，而且可能还有很长的路要走。同时，Chow说，研究人员正在研究“中等规模噪声的量子计算机”，也就是NISQ计算机，据Chow说，其中一个例子是他公司自己的IBM Q Experience（IQX），这是一个基于超导电路技术的开放量子平台，IBM已经在云端运行了三年。Chow指出，IQX已经有超过12万用户进行了超过1200万次实验，并产生了180多篇科学论文。他认为，这些数字表明，即使是“嘈杂”的量子机，在推进量子计算科学方面也有潜在的影响。目前的公共IQX平台包括5-qubit和16-qubit设备，IBM也在为其商业客户提供20个qubit设备。但是，在考虑如何对这些系统进行基准测试和理解时，Chow强调，“这不一定是只需要提高量子位数的数字游戏。”相反，IBM正专注于一个不同的度量，即量子量，它包含了量子位数和系统中的错误率。他说：“我们认为这是一个扩展此类NISC计算机的潜在代理。”

研讨会参与者：IBM公司的Jerry Chow（右）和杜克大学的Jungsang Kim（右）。Jerry Chow专注于当前一代“噪声中等规模”的量子计算机，他说，这已经使有趣的研究和出版物成为可能。

另一位发言人，美国哈佛大学的OSA研究员Mikhail Lukin，曾参与各种量子系统的研究，包括俘获原子，氮空位中心和其他平台。但在思考量子计算机的实用性和潜在效用时，他把重点放在了软件和硬件上。Lukin说：“尽管在这一领域取得了巨大的进展，我们仍然不知道如何建造真正的大型量子计算机。”“更令人惊讶的是，如果我建造一台量子计算机并把它交给你，你并不知道该用它来做什么。”正如许多与会者在整个研讨会上所强调的那样，这给量子界带来了鸡和蛋的问题，开始了解量子计算机能做什么的唯一途径就是实际上建造它们并在实验中去寻找。实际上，Lukin说，当前环境“如此令人兴奋的时刻”的一个原因是，几个量子平台开始承诺实现“足够大、足够多量子、足够连贯和可编程，我们希望在未来几年内，我们能设法找出我们能用这些机器做什么”。在寻求“量子霸权”的过程中，Lukin指出，量子机器明显优于经典机器，一些被俘获的原子和其他系统已经能够在经典计算机无法达到的水平上模拟或解决量子物理问题。

研究小组成员、哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）指出，需要充实量子应用程序和算法，而不仅仅是硬件：“如果我要制造一台量子计算机并把它给你，你并不知道该用它做什么。”

OSA研究员Jungsang Kim，美国杜克大学电气和计算机工程教授，以及量子计算初创公司IONQ的联合创始人马里兰大学（Duke University）的Christopher Monroe指出，通用量子计算机能否实现的问题，实际上取决于“能否开发出一个有用的应用程序，否则你无法做到这一点”。这是一个相当高的要求，因为你要与高性能计算竞争，而高性能计算在今天非常强大。” Kim指出，他的公司IONQ正在研究使用光学捕获的镱-171离子的量子比特“非常非常好”，如果系统被恰当地隔离，就“非常容易”获得相对较长的相干时间，“让你的量子比特达到你需要的水平”。他接着说，问题是控制量子比特的技术没有那么好，而这些控制系统的缺陷是目前离子阱量子计算的限制因素。尽管如此，Kim仍然乐观地认为这一点可以被克服，并且公司可以在未来几年内建立一个100量子比特的平台。如果实现了这一点，他认为科学家们将能够“看看量子计算机是否能做一些有趣和有用的事情”。

另一位小组成员，美国斯坦福大学电气工程教授，OSA研究员Jelena Vuckovic，在片上光子量子系统和集成光子平台上做了大量工作。“对于大多数量子技术，包括量子中继器和量子网络以及量子计算机，我们需要具有良好光学接口的均匀长寿命量子比特，我们需要良好的光学连接。” 根据Vuckovic的说法，考虑到现有平台的数量，包括在微波而非光学领域中运行的超导电路，“这种类型的许多技术将需要不同类的混合集成”。为了扩大系统的规模，她“坚定地相信”，除了在量子方面取得进展外，改善经典光子学和非线性光学也将是至关重要的。最后一位小组成员，伯克利加州大学教授，伯克利量子信息与计算中心主任，Birgita Whaley，转向了这个领域的理论方面。Whaley说，她的工作开始于量子纠错领域，这是一个“相对成熟的领域”，并已进入连续纠错、测量理论和应用、量子控制等领域。Whaley的小组也在研究量子算法。她承认：“过去人们常说量子算法还不够，但事实仍然如此。”“但现在令人兴奋的是，有许多针对特定领域科学问题的算法出现了，例如电子结构和动力学以及量子系统的模拟。”

加利福尼亚大学伯克利分校的Birgita Whaley说，虽然“量子算法”还不够，但现在令人兴奋的是，在量子化学和量子模拟等领域，有许多针对特定领域科学问题的算法正在出现，这对经典计算机来说是很困难的。

这些领域特定的问题，以及量子计算机在短期内的最佳使用，是随后的专题讨论会上的一个重要主题。当被要求思考“未来5到20年量子计算机的主要科学应用或量子计算机的市场”时，一些小组成员强调了物理和量子化学的难题，根据IBM的Chow，这些难题是可以处理的，即使是对于未来几十年可能最常见的NISQ计算机系统。（然而，Whaley警告说，在催化等领域许多关键的化学问题取决于准确性水平，这需要“一台完全一致、完美纠错的机器”。）杜克大学的Kim同意量子化学是已知的加速量子计算解决方案的领域，“我们知道量子计算机真的可以帮助我们。”但他补充说，“也许我们要解决的问题是我们目前不知道的问题”——这暗示了一个事实，在例如，晶体管最初并没有用于计算。因此，他说，“对硬件人员来说，推动我们系统的性能是非常重要的”，以测试无法用经典计算机模拟的问题。哈佛大学的Lukin补充说，一类算法，即在优化问题中有用的启发式算法，可以为能够提供量子加速的算法提供有用的测试。Whaley同意优化算法为量子计算机上的实现提供了“巨大的机会”，这是一个有很多商业利益的机会。

所有的小组成员似乎都同意，在考虑量子计算的可行性时，长远的眼光是必不可少的。斯坦福大学的Vuckovic指出经典计算的发展历史，直到20世纪70年代，随着集成电路的发展才开始起飞；她认为量子技术在未来可能会经历类似的“相变”。Kim指出，从更广泛的创新历史来看，“你倾向于高估三年内可以做些什么，而低估了十年内可以做些什么。”“有时，技术基础设施需要很长时间才能发展，”Kim指出。“但是一旦它可用，很快就会出现用例。”

来源： Optics Photonics

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