應(yīng)用挑戰(zhàn)知多少？美國學(xué)界公布量子信息路線圖
來源 ｜ PRX Quantum
翻譯 ｜ 王 佳
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2019年，參與美國 “國家量子計(jì)劃” 的科學(xué)家們聚在一起，探討量子信息科學(xué)下一個(gè)十年的研究計(jì)劃。研討會(huì)由美國國家科學(xué)基金會(huì)資助，目的是為量子信息科學(xué)建立起一個(gè)統(tǒng)一的戰(zhàn)略愿景。
這些科學(xué)家來自大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)界等，為了量子技術(shù)走向?qū)嵱?，他們將集中力量，加速關(guān)鍵創(chuàng)新的產(chǎn)出。為了應(yīng)對(duì)創(chuàng)新路上的障礙，這些科學(xué)家們經(jīng)過研討，制定了詳細(xì)的路線圖，概述了可能的實(shí)現(xiàn)途徑。
這些探討結(jié)果匯集成了3篇 “路線圖”，于2021年2月24日發(fā)表在PRX Quantum期刊上。三個(gè)路線圖涉及的主題分別是：量子計(jì)算、量子模擬和量子互聯(lián)。量子信息科學(xué)是一項(xiàng)宏大的征程，需要物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、電氣工程師、材料科學(xué)家等群體的共同努力。路線圖在 PRX Quantum 上公開刊登，是為了激發(fā)更多的人能參與到這項(xiàng)事業(yè)之中。
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用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
量子計(jì)算機(jī)代表了一種全新的信息處理方法，它可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以甚至不可能完成的計(jì)算任務(wù)。量子計(jì)算機(jī)的核心是一組量子比特，在與環(huán)境充分隔離的情況下，它們可以處于0和1的量子疊加。通過量子邏輯門操作，多個(gè)量子比特可以變得 “糾纏” ——這是一種獨(dú)特的量子屬性，多個(gè)量子比特顯示出很強(qiáng)的相關(guān)性，即便在被測(cè)量時(shí)，它們每一個(gè)都是隨機(jī)的。這種固有的“連接”使量子計(jì)算機(jī)能夠勝任在任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)上都不可企及的巨大信息空間上的計(jì)算和采樣任務(wù)。
然而，我們還不清楚未來量子計(jì)算機(jī)將如何被使用，因?yàn)槟壳斑€只有少數(shù)已知算法能提供 “量子優(yōu)越性”。此外，建造量子計(jì)算機(jī)并將量子比特?cái)?shù)和操作保真度提高到實(shí)際應(yīng)用所需的水平，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這兩個(gè)挑戰(zhàn)是相關(guān)的：通過構(gòu)建更大、能力更強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)，我們能發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用；通過改進(jìn)應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展可以得到有效的指引。應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)和裝置的構(gòu)建之間的這種交織，被稱作 “協(xié)同設(shè)計(jì)”。
早期的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用可能來自科學(xué)本身，比如通過對(duì)量子現(xiàn)象的可編程模擬來理解信息如何在糾纏的量子系統(tǒng)中演化、傳播。
“路線圖” 呼吁物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、化學(xué)家以及工程師緊密結(jié)合，用科學(xué)的方法來共同設(shè)計(jì)未來的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
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量子模擬器：機(jī)遇和挑戰(zhàn)
量子模擬器利用獨(dú)特的量子效應(yīng)來解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的模擬難題。著名的例子包括：預(yù)測(cè)高溫超導(dǎo)的性質(zhì)，模擬光合作用等。通用量子計(jì)算機(jī)也能解決這些問題，但容錯(cuò)量子計(jì)算可能要很久以后才會(huì)出現(xiàn)。然而，利用專注于特殊用途的設(shè)備，量子模擬可以在短期內(nèi)取得重要進(jìn)展。
量子模擬包括類比量子模擬（analog quantum simulation）、數(shù)字量子模擬（digital quantum simulation），以及兩者的混合。過去二十年，量子模擬器取得了重大進(jìn)展，這為該領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇?！奥肪€圖”描繪了這個(gè)領(lǐng)域面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：
- 確定了在基礎(chǔ)和應(yīng)用物理領(lǐng)域中可以通過量子模擬器解決的廣泛?jiǎn)栴}。這些問題涉及量子材料、量子化學(xué)、量子器件和量子輸運(yùn)、引力、粒子物理、宇宙學(xué)和非平衡量子動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。
- 建議在未來五年內(nèi)，采取雙管齊下的方案來推動(dòng)領(lǐng)域的進(jìn)展。首先，基于相對(duì)成熟的技術(shù)，物理學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師等參與的多學(xué)科合作將迅速發(fā)展和利用原型量子模擬器。與工業(yè)界、國家實(shí)驗(yàn)室和應(yīng)用方面的領(lǐng)域?qū)＜业慕佑|也至關(guān)重要。其次，集中力量推進(jìn)原理、器件和應(yīng)用方面的創(chuàng)新，使下一代模擬器具備更多更強(qiáng)的能力。優(yōu)先要考慮的事項(xiàng)包括：計(jì)算機(jī)科學(xué)和量子物理的基礎(chǔ)理論研究，新平臺(tái)和體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以及控制系統(tǒng)等。
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量子互聯(lián)：為了下一代信息技術(shù)
經(jīng)典信息技術(shù)依賴于在不同地點(diǎn)和不同媒介之間傳輸信息的能力。例如，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，信息存儲(chǔ)在硬盤的磁疇中，以電線中電信號(hào)的形式被傳送到處理器，以晶體管兩端電壓的形式被操作處理，并被轉(zhuǎn)換成光子，通過高速光纖連接到互聯(lián)網(wǎng)。
與經(jīng)典信息技術(shù)類似，量子信息技術(shù)將依賴于在不同的量子系統(tǒng)之間傳輸量子信息的能力，這些量子系統(tǒng)有不同的任務(wù)。例如，用于量子計(jì)算的超導(dǎo)量子比特可以連接到一個(gè)光子量子通道，該通道可以將量子信息傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)的處理器或存儲(chǔ)系統(tǒng)。然而，量子信息極其脆弱，在不破壞它的情況下在系統(tǒng)之間將其傳輸，是一項(xiàng)艱巨而又關(guān)鍵的任務(wù)。雖然許多量子信息處理系統(tǒng)最近已經(jīng)得到了論證，但在它們之間設(shè)計(jì)建造高效的量子互連是實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)（如量子互聯(lián)網(wǎng)）的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，經(jīng)典控制線和量子系統(tǒng)之間的接口是將量子系統(tǒng)（如量子計(jì)算處理器）擴(kuò)展到更大尺寸的重要要求。
“路線圖” 描述了量子互聯(lián)技術(shù)的當(dāng)前進(jìn)展情況，并提供了實(shí)現(xiàn)未來目標(biāo)的路線。
注：本文由墨子沙龍編譯，原標(biāo)題為“PRX Quantum：美國量子信息路線圖”，《知識(shí)分子》獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
編譯來源：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.017001
https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.017002
https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.017003
制版編輯 | 盧卡斯
