來自量子雜誌（在此處查詢原始故事）。
20多年來，伊萬·德意志一直在努力設計一個可工作的量子計算機的核心部件。他並非孤軍奮戰。駕馭量子怪異計算能力的探索繼續吸引著世界各地數千名研究人員。為什麼他們的工作沒有取得更多成果？正如物理學家從量子計算的早期階段就知道的那樣，使量子計算能力呈指數級增長的特性也使其難以控制。量子計算的“噩夢”一直在於量子計算機的速度優勢會被機器的複雜性所抵消。
然而，進展正在兩個主要方面到來。首先，研究人員正在開發獨特的量子糾錯技術，這將有助於保持量子處理器在完成計算所需的時間內正常執行。其次，物理學家正在使用所謂的模擬量子模擬器——這些機器不能像通用計算機那樣執行，而是被設計用來探索量子物理學中的特定問題。一臺經典計算機可能需要執行數千年才能計算出僅100個原子的量子運動方程。一個量子模擬器可以在不到一秒的時間內完成。
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《量子》雜誌與德意志談論了該領域的最新進展、他對近期的希望以及他自己將二進位制量子位擴充套件為 16 進位制數字的工作。
量子雜誌：為什麼通用量子計算機如此獨特且強大？
伊萬·德意志：在經典計算機中，資訊儲存在以 0 或 1 編碼的可檢索二進位制位中。但在量子計算機中，基本粒子處於稱為疊加的機率不確定狀態，其中“量子位”可以編碼為 0 和 1。
這就是魔力所在：每個量子位都可以與機器中的其他量子位糾纏。量子“狀態”的交織呈指數級地增加了量子位陣列可以同時處理的 0 和 1 的數量。能夠駕馭量子邏輯力量的機器可以處理比最強大的經典計算機更復雜的指數級水平。一個最先進的經典計算機需要我們宇宙的年齡才能解決的問題，理論上可以在數小時內被通用量子計算機解決。
什麼是量子計算的“噩夢”？
使量子計算機如此快速的相同量子效應也使其難以置信地難以操作。從一開始，量子計算機提供的指數級加速是否會被保護系統免於崩潰所需的指數級複雜性所抵消，這一點尚不清楚。
情況是否無望？
完全不是。我們現在知道，通用量子計算機在設計上不需要指數級的複雜性。但這仍然非常困難。
那麼問題是什麼？我們如何解決它？
硬體問題是，疊加態非常脆弱，單個量子位與其周圍分子之間的隨機相互作用會導致整個糾纏量子位網路斷開或崩潰。當每個量子位轉化為保持單一值的數字化經典位：0 或 1 時，正在進行的計算就會被破壞。
在經典計算機中，我們透過在系統中設計大量冗餘來減少不可避免的資訊丟失。糾錯演算法比較輸出的多個副本。他們選擇最頻繁的答案並丟棄其餘資料作為噪聲。我們不能用量子計算機這樣做，因為試圖直接比較量子位會使程式崩潰。但我們正在逐漸學習如何防止糾纏量子位系統崩潰。
在我看來，主要的障礙是建立能夠防止資料在計算朝著最終讀數進行時被破壞的糾錯軟體。訣竅是設計和實施一種只測量誤差而不是資料的演算法，從而保留包含正確答案的疊加態。
這將結束噩夢嗎？
事實證明，糾錯技術本身會引入錯誤。量子計算中最精彩的進展之一是認識到，理論上，我們可以在不需要 100% 精度的情況下糾正新錯誤，從而允許輕微的背景噪聲在計算過程中汙染計算。我們實際上還不能做到這一點。我們沒有可工作的通用量子計算機的主要原因是，我們仍在試驗如何將這種“容錯”演算法植入量子電路中。目前，我們可以很好地控制 10 個量子位。但據我所知，沒有一種糾錯技術能夠控制構建通用機器所需的數千個量子位。
這就是你正在研究的嗎？
我研究俘獲原子的資訊處理能力。我和亞利桑那大學的同事波爾·傑森正在將邏輯能力提升到基於二進位制的量子位之上。例如，如果我們能控制一個原子具有（比如）16 個不同能級的疊加態會怎麼樣？使用 16 進位制，我們可以在單個原子中儲存我們所謂的“qudit”。這將使我們超越基於 2 系統的量子位所能獲得的資訊處理速度。
我們還有哪些其他選擇？
在製造非通用機器方面可能存在重要的應用：旨在解決特定問題的專用模擬量子模擬器，例如室溫超導體如何工作或特定蛋白質如何摺疊。
這些真的是計算機嗎？
它們不是能夠解決任何型別問題的通用機器。但假設我想模擬全球氣候變化。一種方法是編寫數學模型，然後在數字計算機上求解方程。這通常是氣候科學家所做的。另一種方法是嘗試在可控的實驗中模擬地球氣候的某些方面。我可以建立一個簡單的物理系統，它遵循與我試圖模擬的系統相同的運動定律——例如，在罐中混合氮氣、氧氣和氫氣。罐內發生的事情是一個現實世界的計算，它告訴我有關在特定條件下的大氣湍流的一些資訊。
模擬量子模擬器也是如此——我使用一個可控的物理系統來模擬另一個。例如，使用此類裝置成功模擬超導體將揭示高溫超導的量子力學。這可能會導致製造用於多種用途的非脆性超導材料，包括構建不易碎的量子電路。希望我們能透過實驗模擬模擬器來學習如何構建強大的通用數字計算機。
有人建造過可工作的模擬量子模擬器嗎？
2002 年，德國馬克斯普朗克研究所的一個小組建造了一個光晶格——一個由光製成的超冷蛋盒——並透過向其發射不同強度的雷射束來控制它。這是一種從根本上模擬的裝置，旨在遵循量子力學運動方程。簡而言之，它成功地模擬了原子如何在作為超流體或絕緣體之間轉換。該實驗引發了大量關於使用光晶格和冷原子阱進行模擬量子計算的研究。
這些量子模擬器的主要挑戰是什麼？
由於模擬模擬的演化不是數字化的，因此軟體無法像我們在通用機器上糾正噪聲一樣糾正計算過程中累積的微小錯誤。模擬裝置必須保持量子疊加態完整足夠長的時間，以便模擬在不求助於數字糾錯的情況下執行其過程。這對模擬量子模擬的方法來說是一個特殊的挑戰。
D-Wave 機器是量子模擬器嗎？
D-Wave 原型不是通用量子計算機。它既不是數字化的，也不是糾錯的，也不是容錯的。它是一種純粹的模擬機器，旨在解決特定的最佳化問題。它是否符合量子裝置的條件尚不清楚。
可擴充套件的量子計算機會在您的有生之年部署嗎？
我們正在擺脫噩夢。在世界各地，許多大學實驗室都在努力消除或繞過容錯的障礙。學術研究人員在思想上起著帶頭作用。例如，耶魯大學的羅布·舍爾科普夫和米歇爾·H·德沃雷的研究小組正在將超導技術推向容錯的邊緣。
但是，構建可工作的通用數字量子計算機可能需要調動工業規模的資源。為此，IBM 正在與主要來自耶魯大學小組的人員一起探索超導電路量子計算。谷歌正在與加州大學聖巴巴拉分校的約翰·馬蒂尼斯實驗室合作。HRL 實驗室正在研究基於矽的量子計算。洛克希德·馬丁公司正在探索離子阱。誰知道國家安全域性在做什麼。
但總的來說，在沒有這些工業規模資源的學術實驗室中，科學家們越來越關注如何控制模擬量子模擬器。在這個領域可以獲得短期的成果——無論是在智力上還是在學術界的貨幣方面：可發表的論文。
您願意滿足於模擬嗎？
我贊成全力以赴地追求數字化方法。在我去世之前，我希望能看到一個可以無限期糾錯的通用邏輯量子位元。當然，它會立即被政府列為機密。但無論如何，我仍然懷揣著這個夢想。
經許可轉載自《量子雜誌》，該雜誌是西蒙斯基金會旗下編輯獨立的部門，其使命是透過報道數學、物理和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。