来自量子杂志（在此处查找原始故事）。
20多年来，伊万·德意志一直在努力设计一个可工作的量子计算机的核心部件。他并非孤军奋战。驾驭量子怪异计算能力的探索继续吸引着世界各地数千名研究人员。为什么他们的工作没有取得更多成果？正如物理学家从量子计算的早期阶段就知道的那样，使量子计算能力呈指数级增长的特性也使其难以控制。量子计算的“噩梦”一直在于量子计算机的速度优势会被机器的复杂性所抵消。
然而，进展正在两个主要方面到来。首先，研究人员正在开发独特的量子纠错技术，这将有助于保持量子处理器在完成计算所需的时间内正常运行。其次，物理学家正在使用所谓的模拟量子模拟器——这些机器不能像通用计算机那样运行，而是被设计用来探索量子物理学中的特定问题。一台经典计算机可能需要运行数千年才能计算出仅100个原子的量子运动方程。一个量子模拟器可以在不到一秒的时间内完成。
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《量子》杂志与德意志谈论了该领域的最新进展、他对近期的希望以及他自己将二进制量子位扩展为 16 进制数字的工作。
量子杂志：为什么通用量子计算机如此独特且强大？
伊万·德意志：在经典计算机中，信息存储在以 0 或 1 编码的可检索二进制位中。但在量子计算机中，基本粒子处于称为叠加的概率不确定状态，其中“量子位”可以编码为 0 和 1。
这就是魔力所在：每个量子位都可以与机器中的其他量子位纠缠。量子“状态”的交织呈指数级地增加了量子位阵列可以同时处理的 0 和 1 的数量。能够驾驭量子逻辑力量的机器可以处理比最强大的经典计算机更复杂的指数级水平。一个最先进的经典计算机需要我们宇宙的年龄才能解决的问题，理论上可以在数小时内被通用量子计算机解决。
什么是量子计算的“噩梦”？
使量子计算机如此快速的相同量子效应也使其难以置信地难以操作。从一开始，量子计算机提供的指数级加速是否会被保护系统免于崩溃所需的指数级复杂性所抵消，这一点尚不清楚。
情况是否无望？
完全不是。我们现在知道，通用量子计算机在设计上不需要指数级的复杂性。但这仍然非常困难。
那么问题是什么？我们如何解决它？
硬件问题是，叠加态非常脆弱，单个量子位与其周围分子之间的随机相互作用会导致整个纠缠量子位网络断开或崩溃。当每个量子位转化为保持单一值的数字化经典位：0 或 1 时，正在进行的计算就会被破坏。
在经典计算机中，我们通过在系统中设计大量冗余来减少不可避免的信息丢失。纠错算法比较输出的多个副本。他们选择最频繁的答案并丢弃其余数据作为噪声。我们不能用量子计算机这样做，因为试图直接比较量子位会使程序崩溃。但我们正在逐渐学习如何防止纠缠量子位系统崩溃。
在我看来，主要的障碍是创建能够防止数据在计算朝着最终读数进行时被破坏的纠错软件。诀窍是设计和实施一种只测量误差而不是数据的算法，从而保留包含正确答案的叠加态。
这将结束噩梦吗？
事实证明，纠错技术本身会引入错误。量子计算中最精彩的进展之一是认识到，理论上，我们可以在不需要 100% 精度的情况下纠正新错误，从而允许轻微的背景噪声在计算过程中污染计算。我们实际上还不能做到这一点。我们没有可工作的通用量子计算机的主要原因是，我们仍在试验如何将这种“容错”算法植入量子电路中。目前，我们可以很好地控制 10 个量子位。但据我所知，没有一种纠错技术能够控制构建通用机器所需的数千个量子位。
这就是你正在研究的吗？
我研究俘获原子的信息处理能力。我和亚利桑那大学的同事波尔·杰森正在将逻辑能力提升到基于二进制的量子位之上。例如，如果我们能控制一个原子具有（比如）16 个不同能级的叠加态会怎么样？使用 16 进制，我们可以在单个原子中存储我们所谓的“qudit”。这将使我们超越基于 2 系统的量子位所能获得的信息处理速度。
我们还有哪些其他选择？
在制造非通用机器方面可能存在重要的应用：旨在解决特定问题的专用模拟量子模拟器，例如室温超导体如何工作或特定蛋白质如何折叠。
这些真的是计算机吗？
它们不是能够解决任何类型问题的通用机器。但假设我想模拟全球气候变化。一种方法是编写数学模型，然后在数字计算机上求解方程。这通常是气候科学家所做的。另一种方法是尝试在可控的实验中模拟地球气候的某些方面。我可以创建一个简单的物理系统，它遵循与我试图模拟的系统相同的运动定律——例如，在罐中混合氮气、氧气和氢气。罐内发生的事情是一个现实世界的计算，它告诉我有关在特定条件下的大气湍流的一些信息。
模拟量子模拟器也是如此——我使用一个可控的物理系统来模拟另一个。例如，使用此类设备成功模拟超导体将揭示高温超导的量子力学。这可能会导致制造用于多种用途的非脆性超导材料，包括构建不易碎的量子电路。希望我们能通过实验模拟模拟器来学习如何构建强大的通用数字计算机。
有人建造过可工作的模拟量子模拟器吗？
2002 年，德国马克斯普朗克研究所的一个小组建造了一个光晶格——一个由光制成的超冷蛋盒——并通过向其发射不同强度的激光束来控制它。这是一种从根本上模拟的设备，旨在遵循量子力学运动方程。简而言之，它成功地模拟了原子如何在作为超流体或绝缘体之间转换。该实验引发了大量关于使用光晶格和冷原子阱进行模拟量子计算的研究。
这些量子模拟器的主要挑战是什么？
由于模拟模拟的演化不是数字化的，因此软件无法像我们在通用机器上纠正噪声一样纠正计算过程中累积的微小错误。模拟设备必须保持量子叠加态完整足够长的时间，以便模拟在不求助于数字纠错的情况下运行其过程。这对模拟量子模拟的方法来说是一个特殊的挑战。
D-Wave 机器是量子模拟器吗？
D-Wave 原型不是通用量子计算机。它既不是数字化的，也不是纠错的，也不是容错的。它是一种纯粹的模拟机器，旨在解决特定的优化问题。它是否符合量子设备的条件尚不清楚。
可扩展的量子计算机会在您的有生之年部署吗？
我们正在摆脱噩梦。在世界各地，许多大学实验室都在努力消除或绕过容错的障碍。学术研究人员在思想上起着带头作用。例如，耶鲁大学的罗布·舍尔科普夫和米歇尔·H·德沃雷的研究小组正在将超导技术推向容错的边缘。
但是，构建可工作的通用数字量子计算机可能需要调动工业规模的资源。为此，IBM 正在与主要来自耶鲁大学小组的人员一起探索超导电路量子计算。谷歌正在与加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马蒂尼斯实验室合作。HRL 实验室正在研究基于硅的量子计算。洛克希德·马丁公司正在探索离子阱。谁知道国家安全局在做什么。
但总的来说，在没有这些工业规模资源的学术实验室中，科学家们越来越关注如何控制模拟量子模拟器。在这个领域可以获得短期的成果——无论是在智力上还是在学术界的货币方面：可发表的论文。
您愿意满足于模拟吗？
我赞成全力以赴地追求数字化方法。在我去世之前，我希望能看到一个可以无限期纠错的通用逻辑量子比特。当然，它会立即被政府列为机密。但无论如何，我仍然怀揣着这个梦想。
经许可转载自《量子杂志》，该杂志是西蒙斯基金会旗下编辑独立的部门，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。