全功能量子计算机和一个新的量子产业可能会比许多人预期的更早出现——这要归功于美国能源部刚刚宣布成立的五个新的国家量子信息科学研究中心。这项最新进展是最近启动的《国家量子倡议法案》的一部分，该法案于2018年12月签署成为法律，并在五年内获得了6.25亿美元的资金。
这是一项重大举措：学术界、美国国家实验室和产业界的研究人员将首次并肩工作，旨在加速基础量子信息科学研究。更多的研究应该使我们更接近先进的量子技术以及量子信息科学的宏伟目标，即创造一台能够无限期无错误计算的容错量子计算机。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
为什么我们需要量子计算机？我们需要它们来加速科学发现的过程，以便我们能够应对一些我们最严峻的全球挑战，从为更高效的碳捕获工厂和电池设计新材料，到更好的药物和疫苗。传统上，材料设计很大程度上依赖于意外的发现或漫长而乏味的实验迭代过程。在过去的半个世纪里，经典计算机通过执行分子模拟大大加速了这一过程。然而，经典计算机无法足够精确地模拟复杂分子，而这正是量子计算能够发挥作用的地方。
量子计算机依赖于与原子相同的物理规则来处理信息。就像传统的经典计算机执行逻辑电路来运行软件程序一样，量子计算机利用叠加、纠缠和干涉的物理现象来执行量子电路。在不久的将来，它们应该能够执行超出目前和未来最先进的经典超级计算机能力范围之外的数学计算。
但是，要实现这一目标，我们需要构建能够无错误计算的量子机器。量子计算机依赖于脆弱的量子比特（qubit），即量子位的缩写，只有当它们处于精细的量子态时才有用。任何外部干扰或“噪声”，例如热、光或振动，都不可避免地会将这些量子比特从它们的量子态中拉出来，并将它们变成常规比特。
克服这一障碍超出了单个团队的能力范围，我们需要来自学术界、国家实验室和产业界的大量科学家来帮助我们实现这一目标。这就是新中心的用武之地。最终，它们将汇集我们所有研发部门的人才，共同解决与量子相关的问题。
以构建一个能够无错误计算的量子系统的问题为例。我们最好的理论估计，要实现这一目标，我们应该在单个冷却芯片上构建具有数千万个量子比特的机器。但是我们不想冷却足球场大小的量子芯片。为了避免这种情况，我们需要许多突破——这意味着我们必须大规模投资研究。幸运的是，一些最新的结果表明，有可能减少我们实现纠错码所需的量子比特数量。
但即使我们实现了这一点，我们仍然必须克服另一个障碍：连接量子处理器，就像我们今天使用内联网连接数据中心内的计算机芯片一样。这需要量子互连，将存储在处理器量子比特中的脆弱量子信息转移到不同的量子格式（例如，光子），以便将数据“通信”到另一个处理器。该领域的进展必须 объединить 超导量子比特和光纤等不同的技术，同时解决材料科学和量子通信领域中尚未解决的挑战。
研究团队或许可以单独解决这些问题，以及量子信息科学界正在应对的许多其他挑战。但这将需要数十年时间，而我们等不起这么久。通过新中心建立伙伴关系和协作，将为我们提供实现我们所需的量子飞跃的机会。凭借建立强大的国家量子生态系统的长远眼光，学术界、国家实验室和产业界合作伙伴最终拥有了量子路线图。
现在，就看所有参与这项共同努力的合作伙伴如何创建一个量子生态系统和产业了。我们需要大量熟练且多元化的量子劳动力的智慧、才能、创造力和热情来实现这一目标。