2024年，量子计算会带来什么新突破？
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2023年量子计算领域取得了许多实质性进展，2024年将有什么成果值得期待？
作为一种广为关注的未来颠覆性技术，量子计算在2023这一年里取得了惊人的进步。就在刚过去的12月，IBM的量子峰会如期举行，发布了千比特规模量子处理器Condor、更高性能的133比特处理器Heron、全新的路线图，以及量子操控与运行时环境Qiskit的大版本更新。同样在12月，由哈佛大学Lukin团队、初创公司QuEra等团队合作取得了一项惊人的成就：在一个280物理比特的中性原子体系中实现了码距为7的表面编码逻辑量子比特，以及码距为2的48个逻辑比特。在此之前，最大码距的表面编码逻辑量子比特纪录由超导量子计算体系——Google的“Sycamore”量子处理器保持，而这一进展同样发生在2023年。
国内在量子计算领域同样取得了很多可喜进展，包括中国科学技术大学团队实现d=3表面编码演示、51比特纠缠态制备、纠错魔态制备；北京量子信息科学研究院发布136比特Quafu量子计算云平台；南方科技大学团队首次在二项式编码的纠错体系中超越“盈亏平衡点”，等等。
如果尝试从这些进展中提炼几个关键字，会包含“规模”“性能”“纠错”以及“中性原子”。经历了2023年的尝试和努力，我们更加清楚该如何在“规模”和“性能”上保持良好的平衡，以及如何用“更为聪明”的方式，例如通过对噪声模型进行学习并外推估计的错误缓解方法，来进行复杂的量子计算。我们也开始将更多的注意力放到量子“纠错”的工程实现上，并在这项巨大挑战面前迈出了坚实的一小步，因为越来越多的人意识到没有纠错保护的话，将很难迎来真正的商业量子计算优势；或者这一优势的边界很窄，无法如业界普遍预想的那么广阔和深远。“中性原子”则用实力向世人证明了这是一种富有前景的量子计算实现方案，有人认为它已经跻身前三的位置，仅次于超导和离子阱方案。
回首2023年后，大家更加关心的还是2024年量子计算会取得哪些突破？商业量子计算优势会在这一年到来吗？如果会，它将最先改变哪些行业或领域？如果不会，人们对量子计算的预期会发生怎样的变化？尽管对未来做展望如同预测薛定谔的猫之死活般缥缈，我们还是尝试基于最近取得的进展来对未来做些评论。
首先，量子计算的发展速度将会一如既往地保持高速，但正如IBM量子副总裁Gambetta所说，相比一些具体的指标如量子比特数量、门操控保真度等，人们将更加关注该如何“更聪明”地进行计算。这包括从系统和架构层面去思考如何发挥量子计算的效能，如何让经典计算与量子计算更加紧密地融合等等。因此，可以预测，在短期的未来，人们将不再那么热衷于提升量子比特的规模，而是关注如何充分发挥百比特规模体系的能力，以及如何基于可靠的、高性能的处理模块进行模块化扩展。
于此同时，量子纠错将持续取得进展——更深码距的量子纠错，以及新的纠错码的演示将出现，从而加深我们对纠错的理解。不过实现实用级别的量子纠错仍是一件极为困难的事，业内普遍认为应该在十年的时间尺度上发生。
至于商业量子计算优势是否会在2024年出现，个人觉得概率并不高。这基于两个事实：首先，至少三年内的量子计算仍将是在含噪声的体系上执行，而目前的量子硬件水平，尚无法支持实用级别的含噪声量子计算所需的量子体积；其次，量子计算仍缺乏更为广泛和深度的企业参与。目前的市场参与主要集中在上游和中游，而下游的参与度很低，这将导致针对商业场景“提出问题”的能力不足。如果非要问“万一”出现，哪些行业将最先受影响的话，我大胆地预测量子计算优势将最先随同人工智能对行业进行渗透，其他广受关注的含噪量子算法应用，如组合优化、分子计算等，则将有待硬件能力的进一步提升。
如果2024年量子计算的应用预期没有突破，我们不用感到意外，也完全不用感到失望，毕竟这是一项颠覆性技术改变世界之前必须经历的。2024年，人们对量子计算的预期，将变得更为理性，这对于行业和技术发展而言是好事——科学家和工程师可以更为专注于解决真正的问题，而不是迎合资本的喜好。
最后，作为一个量子计算的深度参与者，我对整个领域的发展是保持长期乐观的。近期的进展表明了其强大的生命力，以及量子技术改变世界的迫切性和必然性。让我们用一种坦然、欣然的态度迎接2024吧！如比尔·盖茨所说：“我们总是高估未来两年的变化，却低估未来十年的变革”，2024年或许会给我们惊喜，或许会让我们失望，但量子计算对人类的变革性是必然的，也是当下的我们无法估量的。
本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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