2024年，量子計(jì)算會(huì)帶來(lái)什么新突破？

2023年量子計(jì)算領(lǐng)域取得了許多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，2024年將有什么成果值得期待？

撰文 | 無(wú)邪（量子計(jì)算從業(yè)者）

作為一種廣為關(guān)注的未來(lái)顛覆性技術(shù)，量子計(jì)算在2023這一年里取得了驚人的進(jìn)步。就在剛過(guò)去的12月，IBM的量子峰會(huì)如期舉行，發(fā)布了千比特規(guī)模量子處理器Condor、更高性能的133比特處理器Heron、全新的路線圖，以及量子操控與運(yùn)行時(shí)環(huán)境Qiskit的大版本更新。同樣在12月，由哈佛大學(xué)Lukin團(tuán)隊(duì)、初創(chuàng)公司QuEra等團(tuán)隊(duì)合作取得了一項(xiàng)驚人的成就：在一個(gè)280物理比特的中性原子體系中實(shí)現(xiàn)了碼距為7的表面編碼邏輯量子比特，以及碼距為2的48個(gè)邏輯比特。在此之前，最大碼距的表面編碼邏輯量子比特紀(jì)錄由超導(dǎo)量子計(jì)算體系——Google的“Sycamore”量子處理器保持，而這一進(jìn)展同樣發(fā)生在2023年。

國(guó)內(nèi)在量子計(jì)算領(lǐng)域同樣取得了很多可喜進(jìn)展，包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)d=3表面編碼演示、51比特糾纏態(tài)制備、糾錯(cuò)魔態(tài)制備；北京量子信息科學(xué)研究院發(fā)布136比特Quafu量子計(jì)算云平臺(tái)；南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次在二項(xiàng)式編碼的糾錯(cuò)體系中超越“盈虧平衡點(diǎn)”，等等。

如果嘗試從這些進(jìn)展中提煉幾個(gè)關(guān)鍵字，會(huì)包含“規(guī)?！薄靶阅堋薄凹m錯(cuò)”以及“中性原子”。經(jīng)歷了2023年的嘗試和努力，我們更加清楚該如何在“規(guī)?！焙汀靶阅堋鄙媳３至己玫钠胶?，以及如何用“更為聰明”的方式，例如通過(guò)對(duì)噪聲模型進(jìn)行學(xué)習(xí)并外推估計(jì)的錯(cuò)誤緩解方法，來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的量子計(jì)算。我們也開(kāi)始將更多的注意力放到量子“糾錯(cuò)”的工程實(shí)現(xiàn)上，并在這項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)面前邁出了堅(jiān)實(shí)的一小步，因?yàn)樵絹?lái)越多的人意識(shí)到?jīng)]有糾錯(cuò)保護(hù)的話，將很難迎來(lái)真正的商業(yè)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)；或者這一優(yōu)勢(shì)的邊界很窄，無(wú)法如業(yè)界普遍預(yù)想的那么廣闊和深遠(yuǎn)?！爸行栽印眲t用實(shí)力向世人證明了這是一種富有前景的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方案，有人認(rèn)為它已經(jīng)躋身前三的位置，僅次于超導(dǎo)和離子阱方案。

回首2023年后，大家更加關(guān)心的還是2024年量子計(jì)算會(huì)取得哪些突破？商業(yè)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)會(huì)在這一年到來(lái)嗎？如果會(huì)，它將最先改變哪些行業(yè)或領(lǐng)域？如果不會(huì)，人們對(duì)量子計(jì)算的預(yù)期會(huì)發(fā)生怎樣的變化？盡管對(duì)未來(lái)做展望如同預(yù)測(cè)薛定諤的貓之死活般縹緲，我們還是嘗試基于最近取得的進(jìn)展來(lái)對(duì)未來(lái)做些評(píng)論。

首先，量子計(jì)算的發(fā)展速度將會(huì)一如既往地保持高速，但正如IBM量子副總裁Gambetta所說(shuō)，相比一些具體的指標(biāo)如量子比特?cái)?shù)量、門(mén)操控保真度等，人們將更加關(guān)注該如何“更聰明”地進(jìn)行計(jì)算。這包括從系統(tǒng)和架構(gòu)層面去思考如何發(fā)揮量子計(jì)算的效能，如何讓經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算更加緊密地融合等等。因此，可以預(yù)測(cè)，在短期的未來(lái)，人們將不再那么熱衷于提升量子比特的規(guī)模，而是關(guān)注如何充分發(fā)揮百比特規(guī)模體系的能力，以及如何基于可靠的、高性能的處理模塊進(jìn)行模塊化擴(kuò)展。

于此同時(shí)，量子糾錯(cuò)將持續(xù)取得進(jìn)展——更深碼距的量子糾錯(cuò)，以及新的糾錯(cuò)碼的演示將出現(xiàn)，從而加深我們對(duì)糾錯(cuò)的理解。不過(guò)實(shí)現(xiàn)實(shí)用級(jí)別的量子糾錯(cuò)仍是一件極為困難的事，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為應(yīng)該在十年的時(shí)間尺度上發(fā)生。

至于商業(yè)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)是否會(huì)在2024年出現(xiàn)，個(gè)人覺(jué)得概率并不高。這基于兩個(gè)事實(shí)：首先，至少三年內(nèi)的量子計(jì)算仍將是在含噪聲的體系上執(zhí)行，而目前的量子硬件水平，尚無(wú)法支持實(shí)用級(jí)別的含噪聲量子計(jì)算所需的量子體積；其次，量子計(jì)算仍缺乏更為廣泛和深度的企業(yè)參與。目前的市場(chǎng)參與主要集中在上游和中游，而下游的參與度很低，這將導(dǎo)致針對(duì)商業(yè)場(chǎng)景“提出問(wèn)題”的能力不足。如果非要問(wèn)“萬(wàn)一”出現(xiàn)，哪些行業(yè)將最先受影響的話，我大膽地預(yù)測(cè)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)將最先隨同人工智能對(duì)行業(yè)進(jìn)行滲透，其他廣受關(guān)注的含噪量子算法應(yīng)用，如組合優(yōu)化、分子計(jì)算等，則將有待硬件能力的進(jìn)一步提升。

如果2024年量子計(jì)算的應(yīng)用預(yù)期沒(méi)有突破，我們不用感到意外，也完全不用感到失望，畢竟這是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)改變世界之前必須經(jīng)歷的。2024年，人們對(duì)量子計(jì)算的預(yù)期，將變得更為理性，這對(duì)于行業(yè)和技術(shù)發(fā)展而言是好事——科學(xué)家和工程師可以更為專注于解決真正的問(wèn)題，而不是迎合資本的喜好。

最后，作為一個(gè)量子計(jì)算的深度參與者，我對(duì)整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展是保持長(zhǎng)期樂(lè)觀的。近期的進(jìn)展表明了其強(qiáng)大的生命力，以及量子技術(shù)改變世界的迫切性和必然性。讓我們用一種坦然、欣然的態(tài)度迎接2024吧！如比爾·蓋茨所說(shuō)：“我們總是高估未來(lái)兩年的變化，卻低估未來(lái)十年的變革”，2024年或許會(huì)給我們驚喜，或許會(huì)讓我們失望，但量子計(jì)算對(duì)人類的變革性是必然的，也是當(dāng)下的我們無(wú)法估量的。

本文受科普中國(guó)·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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