量子科學(xué)是如今科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，許多國(guó)家和大型高科技企業(yè)對(duì)量子計(jì)算等領(lǐng)域紛紛進(jìn)行了戰(zhàn)略布局。在2021年世界頂尖科學(xué)家論壇量子計(jì)算論壇上，兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者深入介紹了量子計(jì)算相關(guān)領(lǐng)域。

2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主戴維·瓦恩蘭（David J. Wineland）表示，量子計(jì)算發(fā)展到今天，現(xiàn)在雖然已經(jīng)展示了“量子計(jì)算優(yōu)越性”——在一些具體問題的解決上，量子計(jì)算機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但是，目前解決的問題沒有一個(gè)展示了量子計(jì)算的真正實(shí)力。

瓦恩蘭表示，目前還需要其他的基準(zhǔn)測(cè)試工具來幫助我們開發(fā)計(jì)算機(jī)，直到實(shí)現(xiàn)一個(gè)由量子計(jì)算機(jī)構(gòu)成的宇宙。當(dāng)然，這還有很長(zhǎng)的路要走，但隨著量子計(jì)算的發(fā)展，很多其他領(lǐng)域也終將受益，如量子傳感等。

瓦恩蘭回顧了量子計(jì)算的發(fā)展歷史。

據(jù)介紹，戴維·多伊奇首次提出了量子圖靈機(jī)的架構(gòu)。之后，斯蒂芬·威斯納定義一種制造量子貨幣——始祖版量子比特幣的方法，并長(zhǎng)期深入地研究量子密碼術(shù)。20世紀(jì)80年代早期，理查德·費(fèi)曼在可逆經(jīng)典計(jì)算會(huì)議上提出了一個(gè)偉大而有趣的想法——使用量子系統(tǒng)作為最好的可逆機(jī)，因?yàn)樵瓌t上量子態(tài)是完全可逆的。

90年代中期，彼得·秀爾提出了一個(gè)算法，并預(yù)言如果能制造出這種計(jì)算機(jī)就可以有效地影響進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算。這引起了情報(bào)界的高度興趣，因?yàn)樗麄兪褂么罅康募用芪臋n，擔(dān)心其安全性。

瓦恩蘭表示，現(xiàn)在，人們距離制成實(shí)用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)一段路。不過，一旦有了量子計(jì)算機(jī)，很多在經(jīng)典加密系統(tǒng)中存在的問題會(huì)慢慢地消失，很多信息可能會(huì)被破解。

目前，量子計(jì)算仍然存在一個(gè)巨大問題——它們非常容易受到環(huán)境噪聲影響而產(chǎn)生錯(cuò)誤。為了給量子計(jì)算糾錯(cuò)，研究者使用了量子糾錯(cuò)碼，一般通過將單個(gè)比特的信息編碼到多個(gè)比特上來糾錯(cuò)，這樣一來又要巨大數(shù)量的量子比特。

瓦恩蘭表示，目前，糾錯(cuò)仍然非常困難。為了在無(wú)需糾錯(cuò)的情況下進(jìn)行量子通信，約翰·裴士基（John Preskill）提出了“噪音中尺度量子”這個(gè)概念和想法,目前該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。如果在這期間能產(chǎn)生一些有趣的中間尺度的系統(tǒng)，肯定會(huì)大大刺激通用量子計(jì)算機(jī)的工作。

瓦恩蘭總結(jié)說，未來量子計(jì)算研究的愿景是更好的量子比特和更好的控制。

2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）則更多從物理專業(yè)領(lǐng)域談?wù)摿孔佑?jì)算，他首先介紹了量子色動(dòng)力學(xué)和量子計(jì)算對(duì)它的影響。量子色動(dòng)力學(xué)是一種強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論，它描述組成強(qiáng)作用粒子（強(qiáng)子）的夸克和與色量子數(shù)相聯(lián)系的規(guī)范場(chǎng)的相互作用。

維爾澤克指出,即使借助超級(jí)計(jì)算機(jī)和大規(guī)模計(jì)算，想要通過數(shù)值模擬解量子色動(dòng)力學(xué)方程的方式，來揭示時(shí)空中的量子漲落和相關(guān)粒子的質(zhì)量都是異常困難的。但是量子計(jì)算機(jī)不僅可以簡(jiǎn)化這些復(fù)雜的計(jì)算，還可以建立單個(gè)核內(nèi)的粒子，構(gòu)建原子核，到原子，甚至是整個(gè)世界。

維爾澤克表示任意子可能對(duì)量子計(jì)算非常有用。任意子不能存在于自由空間中，但可以存在于特定的材料中，并具有相互糾纏的特性，它們之間的相互作用取決于路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。任意子復(fù)雜的路徑函數(shù)可以作為存儲(chǔ)和操作信息的一種方式來制造拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。

拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)能夠解決量子信息易被干擾的問題。如果我們擁有的信息在邏輯上存儲(chǔ)在任意子上，這些路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然會(huì)因外界擾動(dòng)或小的噪聲源干擾產(chǎn)生小的擺動(dòng)，但由于不會(huì)改變其路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就不會(huì)破壞以這種方式存儲(chǔ)和操縱的量子信息。因此這種拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)將具有很大優(yōu)勢(shì)。

維爾澤克還重點(diǎn)介紹了時(shí)間晶體。“時(shí)間晶體”是一種四維以上的空間晶體，它會(huì)隨著時(shí)間演化周期性地自我重復(fù)。他指出，時(shí)間晶體既是量子計(jì)算的試驗(yàn)場(chǎng)，也是非常有趣的物理系統(tǒng)。

維爾澤克預(yù)言，可以使用量子模擬器和非常有創(chuàng)意的方法來測(cè)試?yán)碚摵蜆?gòu)建新型時(shí)間晶體。他還具體給出了兩種方法：第一種，使用量子模擬器精確地描述氮空位中心的特征，并用外場(chǎng)和非常復(fù)雜的方法操縱它們，建立一個(gè)理論上的時(shí)間晶體，并檢驗(yàn)它的正確性；第二種，使用備受關(guān)注的谷歌懸鈴木量子計(jì)算機(jī)作為量子模擬器，建立一個(gè)更復(fù)雜的時(shí)間晶體模型。

目前，該領(lǐng)域最前沿的研究更關(guān)注如何建立創(chuàng)造性地利用噪聲的模型。這生動(dòng)地詮釋了物理學(xué)中的思想可以被用來提高我們的計(jì)算能力，同時(shí)更好的計(jì)算能力也給我們提出和解答有趣物理問題提供了更多新方法。