量子的未来等待在前

雅各布·泰勒

一个世纪之前，量子革命静悄悄地开始改变我们的生活。更深入地理解物质和光在原子和亚原子尺度上的行为，触发了一个全新的科学领域，进而广泛地改变了世界的技术面貌。如今，我们有许多应用依赖于量子力学，从全球定位系统到核磁共振成像，再到晶体管，不一而足。量子计算机的出现预示着这个故事的另一个新篇章，它将使我们不仅能预测和改进化学反应（比方说新材料和它们的性质），而且提供了对于时空和宇宙缘何出现的洞察。这些进展可能在未来数年内开始实现。

从20世纪80年代的最初几步直到现在，全球的科学和国防机构支持了量子信息科学的基础性研究，使得先进的传感技术、通信技术和计算系统成为可能。近期设备性能和量子比特方法上的改进显示，适度规模的量子计算机在近未来可能成真。这一进展已经让科学界将关注重心放到设备研发上来，并且引来了数目可观的新产业投资。就算在全球最快的超级电脑上，我们也无法模拟出量子计算机的运算结果。

实现这样的量子计算优越性自然是个首要目标。然而，事实表明，有时候，设计一种经典计算机来逼近量子系统，这对于解开某些问题的目的已经够用。不仅如此，大多数量子设备都有差错，随着问题变得越来越复杂，产生正确结果的可能性也降低了。只有运用量子复杂性理论中的大量数学知识，我们才能真正区分“极难”解决的问题和那些只是“真的好难”的问题。这种经典计算和量子计算的区分一般描述为接近式量子优越性。一台演示了这种区分的设备确实应该被称为全球第一台量子计算机，它标志着理论计算机科学前进了一步；在某种程度上，甚至标志着我们对宇宙的理解前进了一步。

雅各布·泰勒（Jacob M .Toylor) 美国国家标准与技术研究所研究员，白宫科技政策办公室量子信息科学助理主任

一旦量子计算机成真，下一步是什么？在未来的10年里，我们可以预期，运用量子设备后，一些解决问题的步骤将会优化得快得多。我们也能预期，概率分布的高效抽样——机器学习算法的理论版本——将会变成量子计算机能发光发热的领域。长久来看，误差校正和因子分解可能进一步改变领域的面貌。

然而，最容易达成的目标会是改善我们运用量子力学的能力。过去，我们比较经典计算技术与实验观测到的结果，对量子力学知识予以完善——从解决微分方程式到蛮力仿真，再到化学和材料科学中的新逼近法，都是如此。假如量子计算的优越性达成，我们也许能够在不需要这类比较的情况下测试新技术。这会缩小从科研到转化的周期。

白宫科学技术政策办公室旨在促成这些成果，已经建立起新的部门间工作组，它的任务是组织制定全国性战略，通过在政府、学界和产业之间协调研究，培育完整的量子研究生态系统。这将包括跨越社群壁垒和跨学科的合作协议，为的是确保未来拥有强大的、熟悉量子科学的劳动力。再匹配上全球范围的共同努力，这样应该允许我们捕捉到科学新视野的一星半点，并发展出新技术和新兴产业，而这些都是对量子信息科学的投入可能带来的成果。