2024年，量子計算會帶來什么新突破？

2023年量子計算領(lǐng)域取得了許多實質(zhì)性進(jìn)展，2024年將有什么成果值得期待？

撰文 | 無邪（量子計算從業(yè)者）

作為一種廣為關(guān)注的未來顛覆性技術(shù)，量子計算在2023這一年里取得了驚人的進(jìn)步。就在剛過去的12月，IBM的量子峰會如期舉行，發(fā)布了千比特規(guī)模量子處理器Condor、更高性能的133比特處理器Heron、全新的路線圖，以及量子操控與運行時環(huán)境Qiskit的大版本更新。同樣在12月，由哈佛大學(xué)Lukin團(tuán)隊、初創(chuàng)公司QuEra等團(tuán)隊合作取得了一項驚人的成就：在一個280物理比特的中性原子體系中實現(xiàn)了碼距為7的表面編碼邏輯量子比特，以及碼距為2的48個邏輯比特。在此之前，最大碼距的表面編碼邏輯量子比特紀(jì)錄由超導(dǎo)量子計算體系——Google的“Sycamore”量子處理器保持，而這一進(jìn)展同樣發(fā)生在2023年。

國內(nèi)在量子計算領(lǐng)域同樣取得了很多可喜進(jìn)展，包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊實現(xiàn)d=3表面編碼演示、51比特糾纏態(tài)制備、糾錯魔態(tài)制備；北京量子信息科學(xué)研究院發(fā)布136比特Quafu量子計算云平臺；南方科技大學(xué)團(tuán)隊首次在二項式編碼的糾錯體系中超越“盈虧平衡點”，等等。

如果嘗試從這些進(jìn)展中提煉幾個關(guān)鍵字，會包含“規(guī)?！薄靶阅堋薄凹m錯”以及“中性原子”。經(jīng)歷了2023年的嘗試和努力，我們更加清楚該如何在“規(guī)?！焙汀靶阅堋鄙媳３至己玫钠胶?，以及如何用“更為聰明”的方式，例如通過對噪聲模型進(jìn)行學(xué)習(xí)并外推估計的錯誤緩解方法，來進(jìn)行復(fù)雜的量子計算。我們也開始將更多的注意力放到量子“糾錯”的工程實現(xiàn)上，并在這項巨大挑戰(zhàn)面前邁出了堅實的一小步，因為越來越多的人意識到?jīng)]有糾錯保護(hù)的話，將很難迎來真正的商業(yè)量子計算優(yōu)勢；或者這一優(yōu)勢的邊界很窄，無法如業(yè)界普遍預(yù)想的那么廣闊和深遠(yuǎn)?！爸行栽印眲t用實力向世人證明了這是一種富有前景的量子計算實現(xiàn)方案，有人認(rèn)為它已經(jīng)躋身前三的位置，僅次于超導(dǎo)和離子阱方案。

回首2023年后，大家更加關(guān)心的還是2024年量子計算會取得哪些突破？商業(yè)量子計算優(yōu)勢會在這一年到來嗎？如果會，它將最先改變哪些行業(yè)或領(lǐng)域？如果不會，人們對量子計算的預(yù)期會發(fā)生怎樣的變化？盡管對未來做展望如同預(yù)測薛定諤的貓之死活般縹緲，我們還是嘗試基于最近取得的進(jìn)展來對未來做些評論。

首先，量子計算的發(fā)展速度將會一如既往地保持高速，但正如IBM量子副總裁Gambetta所說，相比一些具體的指標(biāo)如量子比特數(shù)量、門操控保真度等，人們將更加關(guān)注該如何“更聰明”地進(jìn)行計算。這包括從系統(tǒng)和架構(gòu)層面去思考如何發(fā)揮量子計算的效能，如何讓經(jīng)典計算與量子計算更加緊密地融合等等。因此，可以預(yù)測，在短期的未來，人們將不再那么熱衷于提升量子比特的規(guī)模，而是關(guān)注如何充分發(fā)揮百比特規(guī)模體系的能力，以及如何基于可靠的、高性能的處理模塊進(jìn)行模塊化擴(kuò)展。

于此同時，量子糾錯將持續(xù)取得進(jìn)展——更深碼距的量子糾錯，以及新的糾錯碼的演示將出現(xiàn)，從而加深我們對糾錯的理解。不過實現(xiàn)實用級別的量子糾錯仍是一件極為困難的事，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為應(yīng)該在十年的時間尺度上發(fā)生。

至于商業(yè)量子計算優(yōu)勢是否會在2024年出現(xiàn)，個人覺得概率并不高。這基于兩個事實：首先，至少三年內(nèi)的量子計算仍將是在含噪聲的體系上執(zhí)行，而目前的量子硬件水平，尚無法支持實用級別的含噪聲量子計算所需的量子體積；其次，量子計算仍缺乏更為廣泛和深度的企業(yè)參與。目前的市場參與主要集中在上游和中游，而下游的參與度很低，這將導(dǎo)致針對商業(yè)場景“提出問題”的能力不足。如果非要問“萬一”出現(xiàn)，哪些行業(yè)將最先受影響的話，我大膽地預(yù)測量子計算優(yōu)勢將最先隨同人工智能對行業(yè)進(jìn)行滲透，其他廣受關(guān)注的含噪量子算法應(yīng)用，如組合優(yōu)化、分子計算等，則將有待硬件能力的進(jìn)一步提升。

如果2024年量子計算的應(yīng)用預(yù)期沒有突破，我們不用感到意外，也完全不用感到失望，畢竟這是一項顛覆性技術(shù)改變世界之前必須經(jīng)歷的。2024年，人們對量子計算的預(yù)期，將變得更為理性，這對于行業(yè)和技術(shù)發(fā)展而言是好事——科學(xué)家和工程師可以更為專注于解決真正的問題，而不是迎合資本的喜好。

最后，作為一個量子計算的深度參與者，我對整個領(lǐng)域的發(fā)展是保持長期樂觀的。近期的進(jìn)展表明了其強大的生命力，以及量子技術(shù)改變世界的迫切性和必然性。讓我們用一種坦然、欣然的態(tài)度迎接2024吧！如比爾·蓋茨所說：“我們總是高估未來兩年的變化，卻低估未來十年的變革”，2024年或許會給我們驚喜，或許會讓我們失望，但量子計算對人類的變革性是必然的，也是當(dāng)下的我們無法估量的。

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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