量子计算：NISQ时代与未来展望

这篇学术文章《Quantum Computing in the NISQ Era and Beyond》由John Preskill撰写，并于2018年7月30日发表于《Quantum》。作者隶属于加州理工学院的Institute for Quantum Information and Matter以及Walter Burke Institute for Theoretical Physics。本文属于科学论文，但并非单一的原创研究，而是对NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代的量子计算技术现状及未来潜力的全面讨论。这是一篇专家意见类文章，其内容涵盖了量子计算的发展现状、挑战、机遇以及未来展望。

作者对量子计算的总体评估与背景

文章指出，NISQ技术将在未来几年内实现，具有50-100个量子比特（qubit）的量子计算机将能够执行某些超越传统经典计算机能力的任务。然而，量子门操作的噪声会限制其可以可靠执行的量子电路规模。因此，NISQ设备可被用来探索多体量子物理以及其他潜在应用，但其短期内不会在社会或商业层面引发剧变。文章建议量子技术的研究者应继续努力改进量子门的精度，推动完全容错的量子计算机的实现。

量子计算的吸引力源于其在物理科学领域的“纠缠前沿（entanglement frontier）”。当前的科学工具已经可以模拟和控制高度复杂的多粒子量子态，而这些量子态的复杂性远超经典数字计算机的模拟能力，为量子计算在基础物理学以及现实世界的化学、材料科学领域的潜力打开了大门。

文章的主要观点

1. 量子计算的潜力

文章解释了量子计算为何被认为强大： - 量子算法：例如，用于大整数素因数分解的Shor算法，是目前经典计算难以解决的问题，但量子计算可以显著加速这一任务。 - 复杂性理论支持：理论计算机科学表明，量子状态的采样能力超越经典计算系统。 - 不可模拟性：物理学家多年来无法用经典计算机有效模拟一个量子计算机的过程。

量子计算的真正优势可能集中在量子系统的高效模拟上，例如化学反应的动力学、材料特性以及宇宙早期演化等。虽然其计算能力并非无限，例如解决NP难问题（如旅行商问题）仍然需要指数级时间，但在某些领域（尤其是量子模拟）量子计算具有潜在的突破性机会。

2. NISQ时代的展开

作者为当前处于噪声中间规模量子（NISQ）计算时代做了定义： - NISQ设备拥有50-100量子比特，足以达到经典超级计算机也无法进行直接仿真的程度。 - 由于门操作的噪声水平较高，NISQ设备的电路规模可能被限制在1000个左右的基本门操作。 - 虽然NISQ设备短期内不太可能改变世界，但它们是迈向更强大量子计算机的重要一步。

3. NISQ设备的挑战

作者指出实现量子计算的主要困难在于： - 量子系统的脆弱性：量子态容易受到环境干扰，导致信息丢失。 - 误差校正的代价：虽然理论上可以通过量子纠错降低噪声影响，但这需要大量额外的物理量子比特，其代价目前仍然过高。

此外，文章提到目前两比特量子门的错误率在0.1%左右，这极大地限制了能够可靠执行的电路深度。改进硬件和控制技术以降低门操作的误差率是未来发展的关键。

4. NISQ的潜在应用

• 量子优化：与经典优化算法结合的混合量子-经典算法（如QAOA算法和VQE算法）可能在某些优化问题上展现优势。
• 量子模拟：NISQ设备特别适合于高度纠缠的多粒子系统的模拟，如复杂分子的基态能量计算和动态过程模拟。
• 量子机器学习：尽管当前的研究还处于初级阶段，但量子计算可能帮助优化深度学习网络的训练，并在处理量子数据上表现出独特优势。

5. 具体实例与理论争议

• 作者提到了D-Wave的量子退火设备，这种设备在优化问题上表现良好，但其真正的计算优势仍然存在争议。
• 文章还提到了如HHL算法（用于矩阵求逆）和量子推荐系统等特定的量子算法；这些算法理论上有显著的加速潜力，但在NISQ时代还难以实际实现。

6. 未来的探索方向

• 抵抗噪声的量子电路：即便在NISQ设备中，也可能通过设计更加稳健的算法来提高计算可靠性。
• 量子深度学习的实验探索：尽管量子深度学习的功能尚不明晰，尝试利用量子硬件进行初步实验可能带来启示。
• 量子模拟的特殊优势：模拟强纠缠系统和量子动态，预计是NISQ设备最擅长的领域。
• 推动容错量子计算：尽管完整的容错量子计算可能尚需数十年，但加速这些技术的研究是实现未来更大规模运算的必要条件。

文章的意义与价值

作者指出，量子技术正处于一个关键的历史时刻。NISQ时代的量子设备虽然短期影响有限，但提供了探索量子算法和硬件性能的重要实验平台。与经典计算的发展历史相似，硬件的可用性可能会极大地刺激算法开发，甚至催生出我们尚无法预料的全新技术。

作者也强调，应对量子计算的未来持审慎的乐观态度。在探索NISQ设备潜力的同时，研究者们不应忽视推动容错量子计算的长期目标。量子技术的实现需要持续的科学进步和工程创新，虽然道路漫长，但其潜在回报将无比丰厚。

亮点与注意事项

• 文章从基础科学到实际应用提供了一个全面的框架，涵盖了现状、挑战和未来可能性。
• 通过图景化的视角解释了量子纠缠和高复杂性如何赋予量子计算能力上的优势。
• 强调了当前硬件条件的限制，同时也传递出实验探索的重要性。
• 提出了NISQ技术的短期应用和长期跨越“量子鸿沟”的战略展望。

这篇文章为学术界以及希望进入量子领域的研究者和企业提供了一幅清晰的“行动蓝图”，是了解量子计算现状和未来挑战的宝贵资源。