2月4日，在Nature官网的“NEWS FEATURE”栏目专门刊发了一篇题为“Quantum computers will finally be useful: what’s behind the revolution（量子计算机终将走向实用：这场革命背后是什么）”的文章。文章引题为：“A string of surprising advances suggests usable quantum computers could be here in a decade（一系列突破性进展表明，实用型量子计算机或可在十年内成为现实）”。下面我们摘译该文的部分内容：
就在几年前，许多量子计算领域的研究人员还认为，要开发出能够解决复杂任务的机器（例如预测化学反应过程或破解加密文本）需要几十年的时间。但现在，人们越来越有希望这类机器能在未来十年内问世。
新泽西州普林斯顿大学的实验量子物理学家Nathalie de Leon将这种变化描述为"氛围转变"。"人们现在开始逐渐接受这一观点了。"
该领域的进展速度显著加快，特别是在过去两年左右，在多个战线上同时取得突破。学术实验室的研究团队以及从初创小公司到大型科技公司的各类企业，通过改进量子设备的制造工艺和控制技术，大幅减少了这些notoriously难以驾驭的量子设备通常会产生错误。与此同时，理论学家们也更深入地理解了如何更高效地使用量子设备。
耶路撒冷希伯来大学的计算机科学家Dorit Aharonov表示："在这一点上，我更加确信量子计算将会实现，而且实现的时间线比人们预想的要短得多。我们已经进入了一个新时代。"
最新的进展让物理学家们兴奋不已，因为它们解决了阻碍开发出实用量子计算机的一些主要瓶颈。这些设备的工作原理是将信息编码在量子比特中。与经典计算机中只能取0或1值的比特不同，量子比特不仅能代表0或1，还能代表介于两者之间的连续可能性。一个典型的例子是电子的量子自旋，它可以类比为一根磁针，能够在空间中指向任意方向，这是其量子特性的体现。
典型量子计算的核心是一系列量子门，这些是对量子比特状态进行操作的基本单元。量子门既可以作用于单个量子比特，也可以作用于多个量子比特。关键在于，一个量子门能使多个量子比特进入集体纠缠或强关联状态，从而以指数级提升它们处理信息的能力。所有计算最终都以测量结束，测量从量子比特中提取信息，破坏量子门产生的复杂量子态，并以一串经典数字比特的形式返回答案。
数十年来，研究者们对这一计算范式的可行性存在质疑，主要出于两个原因。其一，在实际操作中，量子态会自然地随机漂移，经过一段时间后，其存储的信息将不可避免地丢失。其二，量子门和测量本身就可能引入误差。即便是使用电磁脉冲旋转自旋这样简单的操作，也永远无法完全精确地按预期执行。
但Aharonov和其他学者表示，过去一年左右，已有四个团队证明这些问题终究是可以解决的。这些团队来自：加利福尼亚州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能实验室；科罗拉多州布鲁姆菲尔德的公司Quantinuum；以及位于马萨诸塞州波士顿地区的哈佛大学和初创公司QuEra。就在去年12月，中国合肥的中国科学技术大学的团队也成为了这个精英俱乐部的第四个成员（就是发表在《物理评论快报》上那篇文章，详见：中国科学技术大学潘建伟团队在量子纠错领域取得重要进展）。
这四支团队实现并改进了名为 “量子纠错” 的技术。该技术将单个量子信息单元，或称 “逻辑”量子比特，分散编码在多个 “物理”量子比特上。
在谷歌和中国科学技术大学团队的工作中，量子信息被编码在超导材料环路内循环电子的集体状态中，该体系被保持在略高于绝对零度的温度，以防止信息衰减。Quantinuum公司则利用电磁阱中单个离子内电子的磁取向来储存信息。而QuEra公司的量子比特则由被“光镊”（光束）束缚的单个中性原子的排列方向来表征。通过在计算中途测量特定的物理量子比特，机器能够检测逻辑量子比特中的信息是否已受损，随后施加纠正。
如同对量子比特的任何操作一样，纠错本身也会引入误差。上世纪90年代，Aharonov等人从数学上证明，如果反复应用纠错过程，可以将误差降低到任意期望的水平。但这一结果附带了一个前提条件：纠错的每一步都必须将误差降低到某个特定阈值以下。如今，这四支团队已经证明，他们的计算能够满足这一要求。对许多物理学家而言，这一分水岭式的时刻表明，大规模的 “容错”量子计算是可行的。
即便有效，量子纠错也非万能灵药。长期以来，科学家估计，利用它来运行完全容错的量子算法，需要1000:1的开销，即每个逻辑量子比特至少需要1000个物理量子比特。迄今为止建造的最大量子计算机仅有几千个量子比特——而早期估算表明，要实现诸如大数质因数分解等任务，可能需要数十亿量子比特。
这一任务之所以长期被视为基准，是因为能够将大数分解为质因数的量子计算机，其能力将足以解决先前难以攻克的问题，例如预测新型 “神奇材料” 的特性，或使股票交易变得超级高效。
有助于实现这些目标的一个因素是以巧妙的方式实施算法，从而使用更少的量子比特和量子门。这使得实现大数质因数分解（这将破解一种常见的互联网加密系统）所需物理量子比特数量的估算值，大约每五年降低一个数量级。去年，谷歌研究员克雷格·吉德尼展示了他如何将所需量子比特数量从2000万减少到100万，部分方法是通过将抽象的门电路图排列成复杂的三维模式。（“我确实运用了很多几何直觉，”他说。）吉德尼表示，他的实施方案可能已接近标准量子纠错技术的最佳可能性能。但他补充，更好的技术可以进一步降低开销。
“当前的核心要务就是如何让纠错变得更高效，” 德莱昂表示——而有几种可能的方法。理论学家可以通过开发能更高效编码逻辑量子比特信息的纠错技术来提供帮助，从而减少所需物理量子比特的数量。同时，提高量子门操作的‘保真度’（即准确性） 和物理量子比特的质量，意味着所需的纠错步骤会减少，进而降低必要的物理量子比特数量。柏林自由大学的物理学家延斯·艾瑟特表示，如果未来几年物理量子比特的开销没有进一步降低，他“会感到惊讶”。
“我认为，从数学上讲，量子纠错理论正变得更加丰富和有趣。相关论文出现了爆发式增长，” 芭芭拉·特尔哈尔说。她是荷兰代尔夫特理工大学、由政府支持的量子技术研究所QuTech的一位理论物理学家。然而，她也警告说，复杂的纠错编码可能带来弊端，因为它们会让执行量子门操作变得更加复杂。
其中一种由IBM研发的技术，有望以十分之一于行业标准方法所需的物理量子比特数量来编码逻辑量子比特，即实现大约100:1的开销。QuEra公司正在试验利用其 ‘中性原子’量子比特的一大优势：可以灵活移动，以便按需彼此纠缠。QuEra创始人、哈佛大学物理学家Mikhail Lukin表示，他们的纠错方法原则上也能将开销降至100:1。Lukin认为，要实现这一点，其双量子比特门的保真度需要从目前的99.5% 左右提升到约99.9%，他说这是可行的。“我们正顺利迈向‘三个九’，” 他使用了行业术语说道。
与此同时，德莱昂则专注于利用计量学（精确测量的科学）的先进技术来研究量子比特的弱点。历史上，超导量子比特的一个主要缺点是寿命短，这会导致存储的信息即使在算法操作同一芯片上物理距离较远的量子比特时也会衰减。“量子比特在你准备执行量子门操作时，就已经‘死去’一点点了，” 德莱昂说。她和合作者对超导量子比特进行了超精确测量，以找出限制其寿命的电磁噪声源。随后，他们尝试将构成超导环路的材料从铝改为钽，并将支撑材料从蓝宝石换成绝缘硅。作者在11月发表于《自然》杂志的一篇论文中描述，这些改变共同将量子比特的寿命从0.1毫秒提升到了1.68毫秒。她表示还有进一步改进的空间。“有一些显而易见的尝试方向，我相信我们可以达到10或15毫秒，” 德莱昂说，不过她也警告，往往在消除一个噪声源后，另一个意想不到的噪声源又会悄悄出现。因此，通往有用量子计算机的道路似乎正在快速铺设。加州大学伯克利分校的理论计算机科学家乌梅什·瓦齐拉尼表示：“关键是，我们第一次证明了量子纠错在原则上是可行的。” 谷歌量子硬件负责人朱利安·凯利对此表示赞同，他认为现在应该开始规划如何充分利用第一代容错量子计算机，而不是纠结于它们是否会出现。
这可能意味着要寻找适合中等规模量子设备处理的问题。一些研究人员，包括澳大利亚悉尼新南威尔士大学的米歇尔·西蒙斯，认为化学和材料科学中的模拟是首要目标。但其他人，如阿哈罗诺夫，则更看好优化问题，例如规划高效的全球航运路线。不过，瓦齐拉尼警告说，不要对短期内解决现实世界的重大问题抱有过高期望。他表示，质因数分解可能仍然需要“很多年”，才能达到足以挑战当前加密技术的规模。尽管如此，这些最近的突破确实为“有用”量子计算设定了新的时间表。
“有些人将‘有用’定义为解决一个没有经典计算机能够解决的问题，” 陆朝阳说。按照这个标准，他预计我们可能还需要十到十五年。“但还有另一种‘有用’，即量子计算机能够比经典计算机更高效、更经济地解决实际问题。” 如果基于最近的进展来定义，他说，这可能只需要五年左右。
参考链接：https://www.nature.com/articles/d41586-026-00312-6
东南配资提示：文章来自网络，不代表本站观点。
