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雅各布·泰勒(Jacob M Toylor)

美国国家标准与技术研究所研究员,白宫科技政策办公室量子信息科学助理主任

 

  一个世纪之前,量子革命静悄悄地开始改变我们的生活。更深入地理解物质和光在原子和亚原子尺度上的行为,触发了一个全新的科学领域,进而广泛地改变了世界的技术面貌。如今,我们有许多应用依赖于量子力学,从全球定位系统到核磁共振成像,再到晶体管,不一而足。量子计算机的出现预示着这个故事的另一个新篇章,它将使我们不仅能预测和改进化学反应(比方说新材料和它们的性质),而且提供了对于时空和宇宙缘何出现的洞察。这些进展可能在未来数年内开始实现。
 
  从20世纪80年代的最初几步直到现在,全球的科学和国防机构支持了量子信息科学的基础性研究,使得先进的传感技术、通信技术和计算系统成为可能。近期设备性能和量子比特方法上的改进显示,适度规模的量子计算机在近未来可能成真。这一进展已经让科学界将关注重心放到设备研发上来,并且引来了数目可观的新产业投资。就算在全球最快的超级电脑上,我们也无法模拟出量子计算机的运算结果。
 
  实现这样的量子计算优越性自然是个首要目标。然而,事实表明,有时候,设计一种经典计算机来逼近量子系统,这对于解开某些问题的目的已经够用。不仅如此,大多数量子设备都有差错,随着问题变得越来越复杂,产生正确结果的可能性也降低了。只有运用量子复杂性理论中的大量数学知识,我们才能真正区分“极难”解决的问题和那些只是“真的好难”的问题。这种经典计算和量子计算的区分一般描述为接近式量子优越性。一台演示了这种区分的设备确实应该被称为全球第一台量子计算机,它标志着理论计算机科学前进了一步;在某种程度上,甚至标志着我们对宇宙的理解前进了一步。
 
  一旦量子计算机成真,下一步是什么?在未来的10年里,我们可以预期,运用量子设备后,一些解决问题的步骤将会优化得快得多。我们也能预期,概率分布的高效抽样――机器学习算法的理论版本――将会变成量子计算机能发光发热的领域。长久来看,误差校正和因子分解可能进一步改变领域的面貌。
 
  然而,最容易达成的目标会是改善我们运用量子力学的能力。过去,我们比较经典计算技术与实验观测到的结果,对量子力学知识予以完善――从解决微分方程式到蛮力仿真,再到化学和材料科学中的新逼近法,都是如此。假如量子计算的优越性达成,我们也许能够在不需要这类比较的情况下测试新技术。这会缩小从科研到转化的周期。
 
  白宫科学技术政策办公室旨在促成这些成果,已经建立起新的部门间工作组,它的任务是组织制定全国性战略,通过在政府、学界和产业之间协调研究,培育完整的量子研究生态系统。这将包括跨越社群壁垒和跨学科的合作协议,为的是确保未来拥有强大的、熟悉量子科学的劳动力。再匹配上全球范围的共同努力,这样应该允许我们捕捉到科学新视野的一星半点,并发展出新技术和新兴产业,而这些都是对量子信息科学的投入可能带来的成果。