是什么让量子计算机变得优秀？

十一年前，我刚刚开始攻读理论物理学博士学位，说实话，我根本没有考虑过量子计算机，也没有写过有关量子计算机的文章。同时， 新科学家 工作人员正在努力编写世界上第一个“量子计算机购买指南””（我们一直走在潮流的前面）。纵观历史，你会发现那是一个多么不同的时代——约翰·马蒂尼斯 加州大学圣塔芭芭拉分校的他因研究仅九个量子位的阵列而受到赞誉，就在上周，他被授予诺贝尔物理学奖。与此同时，由中性原子制成的量子计算机近年来风靡该领域的技术甚至没有被提及。这让我想知道：今天的量子计算机购买指南会是什么样子？

目前全球约有 80 家公司生产量子计算硬件。因为我报道量子计算，所以我有机会近距离观察它作为一个行业的发展，并听到大量的销售宣传。如果您认为在 iPhone 和 Android 手机之间做出选择很困难，请尝试进入数十家量子计算初创公司的新闻名单。

当然，大量的炒作伴随着营销，但比较这些设备和方法的一些困难源于这样一个事实：目前对于构建量子计算机的最佳方法还没有达成共识。例如，您可以选择由超导电路、极冷离子、光或其他几种选项制成的量子位。当这些机器具有根本不同的部件时，您如何权衡它们之间的差异？它有助于关注每台量子计算机的性能。

这是与量子计算早期相比的一个显着转变，当时这些新颖设备的冠军是由机器所拥有的量子位（量子信息处理的最基本构建模块）的数量决定的。多个研究团队现已突破 1000 量子位的障碍 通往更多量子位的道路似乎每天都变得更加清晰。研究人员现在正在研究如何利用标准制造技术，例如用硅制造量子位 甚至使用人工智能 让他们的量子计算机变得更大、更强大。

在理想的世界中，更多的量子位总是意味着更多的计算能力，因为这将使量子计算机能够解决更复杂的问题。在我们的现实世界中，确保您添加的每个新量子位不会使您已有的量子位的性能恶化，这已被证明是一项巨大的技术挑战。因此，这不仅仅是你拥有的量子位的数量，还包括它们保存信息的能力以及它们在不降低信息质量的情况下相互“交谈”的能力。量子计算机可能拥有数百万个量子位，如果这些量子位容易出现故障，从而在计算中引入错误，那么量子计算机基本上就毫无用处。

这种故障或噪声可以用“门保真度”等指标来量化，“门保真度”捕获了使一个量子位或一对量子位执行某些操作的准确度，以及“相干时间”，该数字表示一个量子位可以保持在对您有用的量子状态下的时间。但这些措施让我们回到了量子计算硬件的具体细节。令人烦恼的是，即使这些指标很好，你仍然必须担心将数据输入量子计算机并开始计算有多困难，以及当你尝试读出最终结果时是否会遇到麻烦。

量子计算行业显着增长的部分原因是专门从事量子位控制和量子计算机其他部分的公司的崛起，这些公司处理这些设备的量子内部结构与其非量子用户之间的棘手接口。一份合适的 2025 年量子计算机购买指南必须包括所有这些附加组件。你必须选择你的量子位，还必须选择一个量子位控制系统和一些纠正这些量子位错误的机制。我有机会与正在开发操作系统的研究人员交谈 对于量子计算机，因此几年后它也可能成为您购物清单的一部分。

如果我必须列出一份近期愿望清单，我会把赌注押在一台能够执行至少一百万次操作的机器上——大致来说，一个具有一百万步的量子计算程序——并且错误率非常低，并且具有尽可能多的内置纠错功能。约翰·普雷斯基尔 加州理工学院称其为“megaquop”机器。去年他告诉我，他相信这样的机器足够强大，能够容错或防错，并能够做出具有科学意义的发现。但我们还没有到那一步。我们今天拥有的量子计算机正在运行数以万计的操作，并且仅针对相对较小的任务展示了纠错能力。

从某种意义上说，今天的量子计算机正处于青春期，正在走向实用，但仍在经历成长的阵痛。正因为如此，我发现自己在收件箱中最常问量子计算机商家的问题是：“这台机器实际上能做什么？”

在这里，我们不仅要比较不同类型的量子计算机，还要将它们与传统的量子计算机进行比较。量子硬件成本高昂且难以构建，那么它什么时候才能真正成为解决问题的唯一可行选择呢？

回答这个问题的一种方法是尝试找出传统计算机无法完成的计算，除非它们有无限的时间。通俗地说，这被称为“量子霸权”，它让数学家和复杂性理论家彻夜难眠，就像它让量子工程师失眠一样。量子霸权的例子确实存在，但它们很麻烦。为了有意义，它们必须实用——你必须能够建造一台可以执行它们的机器——而且它们必须是可证明的，这样你就可以确定聪明的数学家毕竟无法让传统计算机来执行它们。

1994年，物理学家彼得·肖尔 开发了一种用于分解大数的量子计算算法，该算法可用于轻松破解世界银行等目前使用的最常见的加密方法。一台足够大的量子计算机可以纠正自己的错误，实际上可以运行这个算法，但数学家到目前为止还无法严格证明经典计算机永远无法有效地分解大数。最著名的量子霸权主张也属于这一类——其中一些最终被击败 通过经典机器。仍然存在的量子霸权演示似乎也没有什么用处，主要是为了展示完成这些演示的计算机的量子性。

另一方面是“查询复杂性”数学领域的问题，其中量子方法的优越性是可以严格证明的，但没有相关的算法可以实际实现或做一些明确有用的事情。最近的一个实验 还引入了“量子信息至上”的概念，即量子计算机使用比在经典计算机上解决相同问题所需的位数更少的量子位来解决任务。在这里，量子计算机需要的资源较少不是时间，而是物理构建块的​​数量。这听起来可能很有希望，因为它意味着量子计算机可以做一些事情，而不必先做得很大，但我不建议你购买它，原因很简单——所讨论的任务在现实世界中没有明显的用途。

当然，现实世界中有些问题似乎非常适合量子计算机算法，例如确定在农业和医学中重要的分子特性，或解决诸如安排航班之类的物流问题。但我不得不说“似乎”，因为事实是研究人员还没有掌握所有细节。

例如，在最近的研究中 关于量子计算在基因组学中的可能用途，Aurora Maurizio 意大利圣拉斐尔科学研究所和古列尔莫·马佐拉 瑞士苏黎世大学的教授写道，传统的计算方法非常好，以至于“量子计算在不久的将来只能为足够困难的任务的特定子集提供加速”。他们的研究传达的信息是，尽管乍一看基因组学中的组合问题看起来像是量子计算机可以加速工作的领域，但仔细观察就会发现它们的使用必须非常有针对性和谨慎。

事实是，对于许多不是专门为了证明量子霸权而构建的问题，即使量子计算机能够克服噪声和所有其他技术问题并比经典计算机更快地运行算法，“更快”的含义也有一个范围。因为它并不总是意味着指数级更快，所以量子计算机可以带来的时间节省并不总是完全抵消硬件成本。例如，计算机科学家洛夫·格罗弗的搜索算法是继 Shor 算法之后第二著名的量子计算算法，它只提供了二次方的加速——它以平方根而非指数方式减少了计算的运行时间。最终，多快才足以证明量子化的合理性可能取决于每个量子计算机购买者。

我知道，我知道，在所谓的购买者指南中包含这样的内容是令人沮丧的，但如果说我从与专家的交谈中学到了任何有关量子计算机的知识，那就是我们不知道的量子计算机可以做什么，而不是我们确定的。量子计算机是一种昂贵且复杂的未来技术，我们几乎没有尝到它们可以为我们的生活增加价值的地方，而不仅仅是为一些公司股东增加价值。尽管这并不令人满意，但我相信它标志着量子计算机到底有多么不同和新颖。它们在多大程度上确实是计算的前沿。

但如果你碰巧正在阅读这篇文章，因为你确实有一大笔零用钱可以用来购买一台尽可能大、尽可能可靠的量子计算机，那么请一定要买它，让你当地的量子算法迷们去摆弄它。几年后，他们可能会给你更好的建议。