John Preskill：量子计算机将推动未来5年或10年的科学发现
光子盒研究院出品
本周，在加州理工学院(Caltech)科学交流中心主办的网络研讨会上，该校理论物理教授和量子信息和物质研究所(IQIM)主席John Preskill谈论了建造量子计算机的前景和挑战。
作为理论物理学家，Preskill提出了当前广为人知的量子计算概念，包括量子霸权(quantum supremacy)和含噪声中等规模量子(NISQ)。
在与该校科学作家Whitney Clavin的对话中，他讨论了量子计算机可能如何帮助解决各种科学领域的难题，以及已故的理查德·费曼在20世纪80年代首次提出量子计算机时是如何有类似的认识的。
对话的要点如下，包括Preskill对科学创造力的看法。
1、什么是量子计算机，它和普通计算机有什么不同？
我以为你会先问我一个简单的问题！这实际上是一个很难回答的问题，但我会尽量回答。
我应该先说量子计算机不是什么：它不仅仅是我们现在使用的传统计算机的更好、更强大、更快的版本。它使用量子物理原理以一种根本不同的方式处理信息。
我们早就知道，近一个世纪以来，所有物质都受量子理论支配，这催生了许多新技术，例如激光和磁共振成像(MRI)，以及在芯片上放置数十亿个晶体管。但这些技术只是触及了量子理论如何改变我们对宇宙可能性的看法的表面。
特别是，他们没有考虑到，当我们有许多亚原子粒子，它们在量子力学上相互强烈作用时，这些粒子会说一种非常夸张的语言，这与我们理解的语言和我们的计算机理解的语言非常不一样。没有办法把量子语言简明扼要地翻译成我们的计算机所知道的普通比特。如果你想用比特来描述几百个粒子在做什么，你需要比可见宇宙中原子数量更多的比特。这是一个极其复杂的问题，我们想利用它来加速解决一些非常困难的计算问题。
2、关于量子计算机有很多炒作。他们到底要做什么？
某种程度上，这种炒作是自然的。每个人都知道计算很重要，它影响我们的日常生活，它有经济价值。近年来，我们已经看到科技行业和量子计算投资者的兴趣急剧上升。从某些方面来说，这是一件好事。它加速了进步，并为人们在该领域工作提供了机会。但我们应该现实地看待量子计算的时间期限，因为它具有巨大的实际影响。
我们还应该意识到，量子计算机可能无法加速我们想用计算机做的一切，但将适用于一类特殊的问题——我们对这些问题仍然只有部分了解。当我们有了量子计算机并可以用它们做实验时，我们会更好地理解这些问题。
3、我们要等多久？1年？10年？100年？
这取决于你想要什么。我们正处于量子计算机发展的非常早期的阶段，但即使是现在，从科学的角度来看，我们已经拥有的量子计算机正在赋予我们能力。它们使我们能够以前所未有的方式探索复杂量子系统的行为，这将推动未来5年或10年的科学发现。但对于广泛的实际影响，我认为合理的估计是几十年，或者10年以上。
4、哪些潜在的应用最让你兴奋？
记住，我是一名科学家，所以我喜欢把计算机看作是推动科学进步和科学发现的工具。我们用计算机以各种方式阐明大自然是如何运作的。这适用于化学和材料科学的许多领域。我们知道方程式；它们描述了电子之间的电磁相互作用以及与原子核的相互作用。但对于大分子或复杂材料来说，它们太难求解了。量子计算机将有助于解决这样的问题。
这最终也将产生实际影响。例如，计算化学可以促进新药物和化学催化剂的发现，并对人类产生广泛影响，但我们可能需要一段时间才能看到这种影响。
我们使用计算机的另一种方式是帮助我们发现新的物理定律，我认为量子计算机在这方面也会很有用。我一直感兴趣的一件事是，我们应该如何思考时空本身的量子力学？如果我想了解当某物落入黑洞时会发生什么，或者在宇宙历史的早期发生了什么，这是很重要的。量子计算机将通过允许我们模拟量子现象来帮助我们更好地掌握这些东西，否则这些现象将很难研究。
5、这就是理查德·费曼在20世纪80年代首次提出量子计算机时的想法吗？
我认识费曼；从我到加州理工学院到他去世的这段时间里，我们在加州理工学院工作了大约五年，我们聊了很多关于科学的话题。我们没有讨论量子计算，但我们确实讨论了很多关于亚核粒子及其行为的问题。这是一个我们认为我们知道方程式的例子。我们有一个叫做量子色动力学的理论，它描述了质子和中子及其成分的行为。但和化学一样，这些方程式太难求解了。虽然我们知道正确的方程式，但我们无法从第一原理出发计算这个过程，而这是量子计算机能够做到的。
我认为，引起费曼对量子计算可能性兴趣的部分原因是他意识到这样的问题太难解决了。与此同时，他也意识到，如果我们能够模拟量子系统的行为，那么将有其他的影响，包括使我们能够在化学和材料方面进行计算，否则我们将无法实现这些计算。
6、你觉得你的工作有创造性吗？
希望如此。科学家是问题解决者。而且每个人都是如此。我的意思是，这是人类自身状况的一部分，因为我们都有问题，我们想要解决它们。所以你必须找出解决问题的方法。你还必须弄清楚你想关注什么问题，问什么问题。我认为这两件事都与创造力和直觉有关。如果你正在解决一个问题，并且有必要知道解是什么，那么如果它很简单，可能有人已经找到了答案。所以有时候你会被卡住。
但是你会发现你现在正在思考的问题和你以前思考过的问题之间有联系。这些类比实际上非常有用。有时它会凭空出现，有时你不得不强行使用它。你意识到只要你足够努力，道路清晰，你就能解决问题，但你必须解决所有细节。当你看不到解会出现在哪里时，这些创造性的步骤才是最有趣的；如果你从不同的角度看问题，你就会意识到思考问题的正确方式。
7、加州理工学院有量子计算机吗？
加州理工学院与亚马逊网络服务公司(AWS)建立了合作伙伴关系，AWS在我们校园里开设了一个量子计算中心，他们正在寻求基于非常冷的电路的方法。我认为这是一种良好的伙伴关系，因为双方都认为有必要关注长期问题。
在我看来，未来5到10年的量子计算应用最有可能是科学发现的工具，而不是解决商业中感兴趣的问题。为了达到量子计算产生巨大实际影响的阶段，我们必须拥有更好、更多的量子比特。为此，我们将不得不解决一些大的系统工程问题。
完整对话持续了46分钟，可以通过以下链接观看视频：
https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/ask-expert-quantum/quantum-computers-john-preskill?utm_source=caltechcarousel&utm_medium=web&utm_campaign=csequantum