使用量子力学叠加原理处理信息的设备――量子计算机，正在大学和国家实验室以及初创企业和谷歌、IBM、英特尔、微软等大公司中开发、建造和研究。这些设备非常令人感兴趣，因为它们可以解决某些计算上的“硬”问题，例如在搜索大规模的无序列表或分解大数字方面，量子计算机会比任何经典计算机都快得多。这是因为量子力学叠加原理类似于并行指数计算――换句话说，它可以一次探索多个计算路径。

 

　　由于自然界在基础上是量子力学的，量子计算机也有希望解决有关固体、分子、原子、原子核或亚原子粒子的结构和动力学的问题。研究人员在经典计算机上解决此类问题取得了很大进展，但随着粒子数量的增加，所需的计算量通常呈指数增长。因此，这些领域的科学家对量子计算机感兴趣并不奇怪。

 

　　作为建造量子处理器的基础，许多不同的技术正在被开发出来。这些技术包括超导体、离子阱、光学器件、具有氮空位中心的钻石和超冷中子等。所有这些技术面临的共同挑战是保持量子态相干足够长的时间以执行算法，同时保持以受控方式操纵这些状态的能力。

 

　　近来，具有超过50个量子比特的通用量子处理器已经发布出来――这是一个令人兴奋的里程碑，因为即使在这种相对较低的复杂程度下，量子处理器的操作也会变得太复杂，只有使用最强大的经典超级计算机才能模拟。这些50个量子比特的机器解决“硬”科学问题的效用目前受限于在退相干发生之前可以执行的量子逻辑运算的数量（几十个），并且大量的研发工作集中在增加这样的相干时间上。在这些设备上已经可以解决一些问题。问题是，怎么解决？

 

 

首先，找一台电脑

 

 

　　科学家们在研究领域内迈出了使用量子器件解决化学、材料科学、核物理和粒子物理问题的第一步。在大多数情况下，科学家与设备的开发者、所有者以及操作者之间就这些问题进行了合作研究。然而，公用的软件（如PyQuil，QISKit和XACC）与程序量子计算处理器的组合，以及对设备本身读取的改进，正开始向更广泛的相关方开放。例如，IBM和Rigetti公司允许用户分别通过IBM Q Experience和Rigetti Forest API访问他们的量子计算机。这些都是基于云的服务：用户可以在模拟器上测试和开发他们的程序，并在量子设备上运行它们而无须离开办公室。

 

　　例如，我们最近使用IBM和Rigetti云服务来计算氘核的结合能――这是一种质子和中子的束缚态，构成重氢原子的原子核。我们使用的量子器件包括大约20个超导量子比特。单个量子比特上量子运算的保真度超过99％，而两个量子比特的保真度约为95％。每个量子比特通常连接到3～5个邻居。预计这些规格（量子比特数、保真度和连通性）将随着时间的推移而改善，但近期的通用量子计算可能都会基于类似的参数――加州理工学院的约翰·普雷斯基尔（JohnPreskill）称之为“有噪声的中尺度量子”（NISQ）技术。

 

　　氘核是最简单的原子核，其性质众所周知，这使其成为量子计算的良好测试范例。此外，由于量子比特是双状态量子力学系统（通常被认为是“自旋向上”和“自旋向下”的状态），因此在量子比特和费米子之间存在自然映射――即具有半整数自旋的粒子遵守泡利不相容原理――例如构成氘核的质子和中子。从理论上讲，每个量子比特代表一个费米子可以占据的轨道位置，并且自旋向上和自旋向下分别对应于占据该轨道的零个或一个费米子。基于这种乔丹?维格纳映射，量子芯片可以模拟与其量子比特一样多的费米子。

 

　　氘核结合能的量子计算的另一个有用特征是可以简化计算本身。其平移不变性可将质子和中子的束缚态计算问题降低为单粒子问题，而单粒子问题仅取决于粒子之间的相对距离。此外，氘核的哈密顿量在长波长的限制下变得更简单，同时质子和中子之间复杂的强相互作用的细节在低能量下没有解决。这些简化使我们可以只使用两个或三个量子比特来执行量子计算。

 

 

然后，进行计算

 

 

　　我们在量子处理器上准备了一族纠缠量子态，并在量子芯片上计算了氘核的能量。状态准备包括作用于一个初始状态单一操作，它分解为一系列单量子和双量子比特的量子逻辑操作。考虑到双量子比特相对较低的保真度，我们采用了最少数量的双量子比特CNOT（无控制）运算来完成这项任务。为了计算氘核的能量，我们以哈密顿量测量了泡利算子的期望值，将量子比特状态投射到经典比特上。这是一个随机过程，我们收集了每个量子态多达10000次的测量统计数据。这大约是用户通过云访问可以进行的最大测量次数，但这对我们来说已经足够了，因为我们受到噪音的限制而不是统计数据的限制。然而，采用更多量子比特或更高精度、更复杂的物理系统可能需要更多的测量。

 

　　为了计算氘核的结合能，我们必须找到所准备的所有量子态的最小能量。这种最小化是使用经典计算机完成的，使用来自量子芯片的结果作为输入。我们使用了两个版本的氘核的哈密顿量，一个用于两个量子比特，一个用于三个量子比特。双量子比特计算仅涉及单个CNOT操作，因此不会显著地受到噪声的影响。

 

　　然而，三量子比特计算受噪声影响很大，因为量子电路涉及三次CNOT操作。为了理解噪声的系统效应，我们在量子电路中插入了额外的CNOT操作对――相当于没有噪声的同一性算子。这进一步提高了噪音水平，使我们能够测量和消减能量计算中的噪音。最终，我们的工作产生了通过云执行的原子核的第一次量子计算。

 

 

接下来――

 

 

　　我们同时使用量子处理器和经典计算机进行计算。然而，量子计算机也为独立应用带来了巨大的希望。例如，由于相互作用的费米子的动力学由单一的时间演化算子产生，因此可以通过量子芯片上的单一门操作自然地实现。

 

　　在另一个实验中，我们使用IBM量子云来模拟施温格模型――这是一个典型的量子场论，描述了通过电磁场耦合的电子和正电子的动力学。我们的工作遵循由埃斯特班·马丁内兹（EstebanMartinez）和因斯布鲁克大学的合作者所做的工作，他们2016年使用高度优化的离子阱系统作为量子器件，探索了施温格模型的动态，该系统允许他们实施数以百计的量子操作。为了通过云访问NISQ设备进行模拟，我们利用模型的对称性来降低量子电路的复杂性。然后，我们将该电路应用于初始基态，产生单一时间演化，并仅使用两个量子比特测量电子-正电子含量随时间的变化。

 

　　来自IBM和Rigetti公司的公开的PythonAPI使得云量子计算体验变得非常简单。我们在模拟器上测试我们的程序，并在实际量子硬件上运行计算，无须了解有关硬件本身的许多细节。然而，虽然软件将我们的状态准备单元操作分解为一系列基本量子逻辑运算，但该分解并未针对硬件进行优化。这迫使我们修补量子电路，以便最小化双量子比特操作的数量。展望未来，并考虑更复杂的系统，如果这种类型的分解优化可以实现自动化，那就更好了。

 

　　在量子计算史的绝大多数情况下，量子计算仅仅实验性地供少数研究人员使用，这些研究人员拥有建造和操作此类设备的专有技术。量子云计算将改变这一点。我们发现它是一种解放性的经验――一个伟大的均衡器，有可能为许多人带来量子计算，正如设备本身开始证明自己的价值一样。