本文发表于大众科学的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映大众科学的观点
谷歌最近发表的一篇论文声称，一台量子计算机完成了一项特定的计算，即使是世界上最快的经典超级计算机也会被难倒，这引发了比解答更多的问题。 其中最主要的问题是：当成熟的量子计算机到来时，我们准备好了吗？
谷歌取得这一里程碑的背景是一个更为冷静的现实：即使是今天最好的基于门电路的量子计算机也只能聚集大约 50 个量子比特。 量子比特，或量子位，是量子计算中的基本信息单元，类似于经典计算中的比特，但远不止于此。
基于门电路的量子计算机使用逻辑门运行，但与经典计算机相反，它们利用了量子力学的固有属性，如叠加、干涉和纠缠。 当前的量子计算机非常嘈杂且容易出错，以至于其量子态中的信息在几十微秒内通过一种称为退相干的机制以及通过有缺陷的门电路而丢失。
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尽管如此，研究人员在朝着更可用的量子比特方向取得明显的进展，尽管速度缓慢。 也许在 10 年或 20 年后，我们将实现可靠、大规模、容错量子计算机的目标，这些计算机可以解决广泛有用的问题。
当那一天到来时，我们应该用它们做什么？
我们已经有几十年的时间来准备。 在 20 世纪 80 年代初，美国物理学家保罗·贝尼奥夫发表了一篇论文，证明图灵机（一种计算机）的量子力学模型在理论上是可行的。 大约在同一时间，理查德·费曼认为，在经典计算机上以任何有用的规模模拟量子系统将永远是不可能的，因为问题会变得太大太大：所需的内存和时间将随着量子系统的体积呈指数级增长。 在量子计算机上，所需的资源扩展将远没有那么剧烈。
费曼真正启动了量子计算领域，当时他建议研究量子系统的最佳方法是在量子计算机上模拟它们。 模拟量子物理学是量子计算机的杀手级应用。 它们不会帮助您在智能手机上流式传输视频。 如果可以构建大型容错量子计算机，它们将使我们能够以前所未有的深度探测量子力学的奇异世界。 它遵循与我们在日常生活中观察到的世界不同的规则，但却支撑着一切。
在足够大的量子计算机上，我们可以模拟量子场论，以研究宇宙最基本的性质。 在量子效应占主导地位的化学和纳米尺度研究中，我们可以研究材料的基本性质并设计新材料，以了解非常规超导性等机制。 我们可以模拟和理解新的化学反应和新化合物，这可能有助于药物发现。
通过深入研究数学和信息论，我们已经开发了许多理论工具来完成这些事情，并且算法比构建实际机器的技术更进一步。 这一切都始于量子计算机的理论模型，该模型确定了它将如何利用量子力学来执行有用的计算。 研究人员编写量子算法，以使用该模型执行任务或解决问题。 这些基本上是一系列量子门以及量子态的测量，提供所需的经典信息。
例如，格罗弗算法展示了一种执行更快搜索的方法。 肖尔算法已经证明，大型量子计算机有一天将能够破解基于 RSA 的计算机安全系统，RSA 是一种广泛用于保护例如电子邮件和全球金融网站的方法。
在我的研究中，我和我的同事已经证明了非常有效的算法来执行有用的计算和研究物理系统。 我们还在核磁共振量子信息处理器中演示了最早完成的电子系统小规模量子模拟方法之一。 其他人也跟进了我们的工作，并且最近在当今可用的嘈杂中等规模量子计算机和实验室实验中模拟了简单的量子场论。
当我们等待硬件赶上理论时，量子信息科学的研究人员将继续研究和实施对当前可用的嘈杂、充满错误的机器有用的量子算法。 但是我们中的许多人也在采取更长远的眼光，将理论深入到量子物理学、信息论、复杂性和数学的交叉点，并开辟新的前沿领域去探索，一旦我们拥有量子计算机带我们到达那里。