量子计算的下一步，是什么？

光子盒研究院

随着量子计算的不断发展，我们很可能会看到一些技术突破，这些突破可能会在医学、能源、安全和通信等领域产生重大影响。

量子计算是基于量子力学原理的一个新分支。超级计算机有可能解决传统个人电脑无法完成的复杂问题或任务，如代码破解、新材料设计以及流程优化。

近年来，这项技术经历了飞速发展。2019 年，谷歌宣布实现了“量子优势”：在一台先进计算机上以创纪录的时间运行算法。然而，这一领域仍处于早期发展阶段。

事实上，当今量子计算机的早期模型体积小、制造成本高；目前，它们的功能还不足以解决现实世界中的问题。要使量子计算成为现实，需要克服一系列迄今为止无法实现的挑战。

这些困难包括：

- 用更强大的硬件制造更大的计算机；

- 创建更高效的量子算法；

- 想方设法降低为这些计算机提供动力的组件的成本。

尽管面临种种挑战，未来计算仍有可能给各行各业带来革命性的变化。随着其发展速度的加快，我们很可能会看到许多重要的进步，这些进步将改变生活和工作方式。

谷歌和国际商业机器公司(IBM)等公司曾就“量子霸主”地位展开激烈争论，但争夺量子比特数量的日子似乎正在让位于成熟阶段。

随着这一领域的不断扩大，芯片间通信和解决相关挑战的新视野正在打开。一方面，作为该领域的强者之一，IBM 公司即将在今年迎来一个有趣的转折：据说，IBM将不再继续增加其量子处理器的量子比特数量，而是推出仅有133个量子比特的Heron处理器。

133量子比特Heron处理器，预计2023年推出

值得注意的是，与以往不同的是，这些量子比特将是最高质量的，可以与同系列的其他处理器直接连接。而且，至关重要的是，每个芯片都能够直接连接到其他Heron处理器，预示着从单个量子计算芯片向由多个连接在一起的处理器构建的“模块化”量子计算机的转变，这一举措有望帮助量子计算机大幅扩展。这无疑是向构建模块化量子计算机迈出的关键一步，在模块化量子计算机中，多个芯片相互连接，可以实现显著的性能扩展。

由于最近取得的进展和雄厚的资金，向模块化的转变正在塑造一个新的行业时代，这将比想象中更快地实现通用量子计算机。

IBM的Heron项目只是迈向模块化量子计算世界的第一步。这些芯片将与传统电子设备连接，因此它们无法在信息从一个处理器移动到另一个处理器时保持信息的“量子性”。但人们希望，这些芯片最终能通过量子友好型光纤或微波连接连接在一起，从而为拥有多达一百万个连接量子比特的分布式大规模量子计算机开辟道路——这可能是运行有用的纠错量子算法所需的数量。

IBM 量子硬件系统开发部总监Jerry Chow甚至说：“我们需要在规模和成本上都能扩展的技术，因此模块化是关键。”

其他公司也在开始类似的实验。使用光子作为量子比特的PsiQuantum公司首席科学官Peter Shadbolt说：“把东西连接在一起突然成了一个大主题。PsiQuantum公司正在对硅基模块化芯片进行收尾工作。它所需要的最后一个部件：一个极快、低损耗的光开关，将在2023年年底前得到充分验证。这样，我们就有了一个功能完备的芯片。”

“现在，我们将把正在制造的所有硅芯片组装在一起，这将是一个类似建筑规模的高性能计算机系统。”

去年从Alphabet分离出来的量子技术公司SandboxAQ的首席执行官Jack Hidary表示，在处理器之间穿梭量子比特的愿望意味着，一种有点被忽视的量子技术现在将凸显出来。他说，在量子通信中，相干量子比特的传输距离可达数百公里，这将是2023年量子计算故事的重要组成部分。

“扩大量子计算规模的唯一途径是创建由几千个量子比特组成的模块，并开始将它们连接起来以获得相干连接。这可能是在同一个房间里，但也可能是跨校园或跨城市。我们从经典世界中了解到分布式计算的威力，但对于量子而言，我们必须要有相干链路：要么是带有量子中继器的光纤网络，要么是一些通往地面站和卫星网络的光纤。”

近年来，许多这样的通信组件已经得到了展示。例如，2017 年，中国的“墨子号”卫星表明，相距1200公里的节点之间可以实现相干量子通信。而在2022年3月，一个由学术界和工业界研究人员组成的国际小组展示了一种量子中继器，可在600公里长的光纤上有效中继量子信息。

“Experimental repeater-like quantum communications over 600 km of optical fibre aided by wavelength-multiplexed phase stabilization”

论文链接：

https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/PC12015/PC120150W/Experimental-repeater-like-quantum-communications-over-600-km-of-optical/10.1117/12.2607479.full?SSO=1

在业界将量子比特连接起来的同时，也在摒弃一种在过去五年中流行起来的想法：尽管噪声很容易干扰芯片的运行，但仅有几百个量子比特的芯片也许就能进行有用的计算。

物理比特数与物理误差概率的可能缩放轨迹

这一概念被称为“含噪声的等规模量子计算(NISQ)”，它本来是一种从量子计算中获得短期效益的方法，有可能在实现拥有数十万量子比特的大型量子计算机的理想之前数年，就能实现纠错。但对NISQ的乐观情绪似乎正在消退。总部位于新加坡的Horizon量子计算公司首席执行官Joe Fitzsimons说：“人们希望这些计算机在进行任何纠错之前就能得到很好的应用，但现在的重点正在从这个方面转移。”

一些公司正在瞄准经典的纠错形式，利用一些量子比特来纠正另一些量子比特的错误。去年（2022年），谷歌量子人工智能公司(Google Quantum AI)和霍尼韦尔(Honeywell)与剑桥量子计算公司(Cambridge Quantum Computing)联合成立的新公司Quantinuum都发表了论文，证明可以将量子比特组装成纠错组合，其性能优于底层物理量子比特。

其他团队也在尝试是否能找到一种方法，使量子计算机具有“容错性”，而不需要那么大的开销。例如，IBM一直在探索如何描述机器中的致错噪声，然后通过编程将其减去（类似于降噪耳机的功能）。这远不是一个完美的系统：算法是通过预测可能出现的噪音，而不是实际出现的噪音来工作的。但它做得还算不错，IBM表示：“我们可以用低得多的资源成本建立一个纠错码，使纠错在短期内就能实现。”

总部位于马里兰州的IonQ公司正在建造捕获离子量子计算机，该公司也在做类似的事情。IonQ公司首席科学家Chris Monroe说：“我们的大部分错误都是我们在探测离子和运行程序时强加给自己的。这种噪音是可知的，不同类型的缓解措施让我们能够真正推动我们的科技进步。”

尽管在硬件方面取得了进展，但许多研究人员认为，还需要对编程给予更多关注。波士顿量子软件公司Zapata Computing的Michal Stechly说：“与10年后我们需要的工具相比，我们的工具箱肯定是有限的。”

20世纪50年代左右经典计算所涉及的层级、当前经典计算和量子工具流的图示

代码在云端量子计算机上运行的方式通常是“基于电路”的，这意味着数据要经过一系列特定的、预定义的量子运算，然后进行最终的量子测量，得出输出结果。Fitzsimons认为，这对算法设计者来说是个问题。传统的编程程序往往需要循环执行一些步骤，直到达到所需的输出，然后再进入另一个子程序。而在基于电路的量子计算中，获得一个输出通常就结束了计算：没有再次循环的选择。

地平线量子计算公司（Horizon Quantum Computing）是为实现这些灵活的计算程序而开发编程工具的公司之一。Fitzsimons说：“这让你可以运行不同类型的程序，我们将在明年开始推出早期访问。”

总部位于赫尔辛基的Algorithmiq公司也在编程领域进行创新。首席执行官Sabrina Maniscalco说：“我们需要非标准框架来为当前的量子设备编程。”Algorithmiq公司新推出的药物发现平台Aurora将量子计算结果与经典算法相结合，这种“混合”量子计算是一个不断增长的领域，被广泛认为是该领域可能的长期运作方式。

该公司表示，预计将在 2023 年实现有用的量子优势：证明量子系统可以在现实世界的相关计算中超越经典计算机。

政策方面也可能发生变化。包括美国商务部负责工业和安全的副部长Alan Estevez在内的政府代表已经暗示，围绕量子技术的贸易限制即将到来。

Quantinuum公司首席运营官Tony Uttley说，他正在与美国政府积极对话，以确保这不会对这个仍然年轻的行业造成不利影响。“我们系统中大约80%的部件或子系统都是从美国以外购买的。对它们实施管制于事无补，我们不想在与世界其他国家的其他公司竞争时处于不利地位。”

竞争者有很多。

在日本，富士通正与Riken研究机构合作，在2023年4月开始的财年内为企业提供该国首台国产量子计算机。它将拥有64个超导量子比特。富士通研究所量子实验室负责人Shintaro Sato说：“最初的重点将是材料开发、药物发现和金融方面的应用。”

然而，并不是所有人都在走超导的老路。2020 年，印度政府承诺在量子技术上投入800亿卢比（宣布时为11.2亿美元）。其中很大一部分将用于光子技术、基于卫星的量子通信，以及创新的qudit光子计算。

量子比特扩大了量子位的数据编码范围：与传统的二进制0和1相比，量子比特提供了三、四或更多维度，但不一定会增加出错的可能性。印度班加罗尔拉曼研究所量子信息与计算实验室负责人Urbasi Sinha说：“这种工作能让我们创造一个利基市场，而不是与其他地方已经进行了几十年的工作竞争。”

尽管量子技术正变得越来越重要，也越来越具有国际竞争力，但目前它在很大程度上仍然是合作性的。“这个领域的好处是竞争激烈，但我们都认识到这是必要的。我们没有零和博弈的心态：现在有不同的技术，处于不同的成熟度，我们现在都在一起玩；总有一天会出现某种合并，但现在还没有。”

量子处理器之间的互联是一个正处于中心位置的话题。IBM和PsiQuantum等公司正在探索如何有效连接这些芯片，以创建大规模分布式量子系统。

这一点至关重要，因为量子通信被证明在这一探索中非常重要，最近的研究揭示了远距离传输信息的可行性。没有人提到的一点是，并非一切都以硬件为中心，软件也发挥着至关重要的作用。

科学家们正在开发编程工具，以便更灵活地运行量子算法。对循环的关注正在演变成更灵活的编程程序，这将推动实际应用的产生。

在全球范围内，量子计算领域的竞争日益激烈。中国、美国、日本，甚至印度等国都在引领从超导体到光子学等不同量子技术的重大进展。

尽管各国都在争夺这场战斗的胜利者，但合作仍然是这个不断发展的领域的标志。但量子计算之后的下一步是什么？

——量子计算在2023年中期经历了一场革命之后，显然正在向更具挑战性和更有前途的领域扩展。

随着量子计算机变得越来越强大和复杂，技术障碍也被攻克，下一步自然是利用其潜力解决传统计算机无法解决的复杂问题。然而，还有新的领域需要探索，新的挑战需要克服，例如以下方面：

- 解决高级问题：量子计算为解决传统计算机极难处理的问题提供了无与伦比的计算能力。分子模拟以及化学反应、物流和金融系统优化、高级密码学和增强人工智能只是该技术有望带来重大进展的几个例子。

- 精确建模和模拟分子的能力可加快新药的开发。量子模拟可以让科学家更好地理解复杂的生物过程，同时设计出个性化的解决方案来对抗癌症等疾病。

- 太空探索：量子计算能力可以极大地帮助解决太空导航中涉及的复杂数学问题，并预测宇宙现象。对行星和星系系统的模拟将提供对宇宙的新认识；

- 量子计算与人工智能的结合可以创造出更强大、更高效的机器学习系统。它们将有能力更快地处理和分析大型数据集；

- 密码学与安全：随着量子计算的发展，它也带来了网络安全方面的挑战。因此，量子密码学将为所有行业的信息传输和机密数据保护提供更安全的解决方案。

量子计算之后的下一步是充分利用这项技术的能力，解决各个领域的复杂问题：从医学、能源到人工智能和太空探索。

同时，开发新的应用以及算法和技术方法，将是克服量子计算新时代出现的每一个挑战的关键。

参考链接：

[1]https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

[2]https://www.technologyreview.com/2023/01/06/1066317/whats-next-for-quantum-computing/

[3]https://www.technologyreview.com/2020/02/26/916744/quantum-computer-race-ibm-google/

[4]https://cra.org/ccc/wp-content/uploads/sites/2/2018/11/Next-Steps-in-Quantum-Computing.pdf

[5]https://www.ruetir.com/2023/08/what-is-the-next-step-after-quantum-computing/

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