量子計算可能比你想像的更近

量子計算，雖仍處於革命性技術發展的早期階段，卻比想像中的更為接近我們。以下是達裡奧·吉爾(Dario Gil)於2020年9月1日對此方面的看法：

全功能的量子計算機和一個新的量子產業可能會比許多人預期的更早出現-這要歸功於美國能源部剛剛宣布的五個新的國家量子信息科學研究中心。最近啟動的國家量子倡議法案於2018年12月籤署成為法律，這一最新進展將在五年內獲得6.25億美元的資金。

這是一件大事：來自學術界、美國國家實驗室和工業界的研究人員將首次並肩工作，旨在加快基礎量子信息科學的研究。而更多的研究應該會讓我們更接近先進的量子技術和量子信息科學的最宏偉目標，創造一種可以無限計算而不會出錯的容錯量子計算機。

我們為什麼需要量子計算機？我們需要他們加快科學發現的進程，這樣我們才能解決一些我們最大的全球挑戰，從為更高效的碳捕獲工廠和電池設計新材料，到更好的藥物和疫苗。傳統上，材料設計在很大程度上依賴於愉快的意外事件或漫長而乏味的反覆試驗過程。在過去的半個世紀裡，經典計算機通過執行分子模擬極大地加速了這一過程。儘管如此，經典計算機不能足夠精確地模擬複雜分子，這就是量子計算能夠提供幫助的地方。

量子計算機依靠與原子相同的物理規則來處理信息。就像傳統的、經典的計算機執行邏輯電路來運行軟體程序一樣，量子計算機利用疊加、糾纏和幹涉的物理現象來執行量子電路。不久的一天，他們應該能夠在當前和未來最先進的經典超級計算機無法實現的情況下進行數學計算。

但要做到這一點，我們將需要建造計算沒有錯誤的量子機。量子計算機依賴於脆弱的量子比特，量子比特的縮寫是量子比特，只有當它們處於微妙的量子態時才有用。任何外部幹擾或「噪音」，如熱、光或振動，都不可避免地將這些量子位猛然拉離其量子態，並將它們轉變為規則位。

克服這一障礙超出了單個團隊的極限，我們需要來自學術界、國家實驗室和工業界的數十名科學家來幫助我們實現這一目標。這就是新中心的用武之地。最後，他們將讓我們所有研發部門的人才在與量子相關的問題上合作。

以建立一個計算沒有錯誤的量子系統為例。我們最好的理論估計，要做到這一點，我們應該在一塊冷卻晶片上建造具有數千萬量子比特的機器。但我們不想冷卻足球場大小的量子晶片。為了避免它，我們需要許多突破-這意味著我們必須投資於大規模的研究。幸運的是，一些最新的結果表明，有可能減少我們實現糾錯碼所需的量子比特數。

但即使我們實現了這一點，我們也必須克服另一個障礙：連接量子處理器，就像我們使用內部網連接今天數據中心內的計算機晶片一樣。這需要量子互連，將存儲在處理器量子比特中的脆弱量子信息轉換成不同的量子格式(比如光子)，從而將數據「傳遞」到另一個處理器。這一領域的進步必須將超導量子比特和光纖等截然不同的技術結合起來，同時解決材料科學和量子通信方面的突出挑戰。