全功能量子計算機和一個新的量子產業可能會比許多人預期的更早出現——這要歸功於美國能源部剛剛宣佈成立的五個新的國家量子資訊科學研究中心。這項最新進展是最近啟動的《國家量子倡議法案》的一部分，該法案於2018年12月簽署成為法律，並在五年內獲得了6.25億美元的資金。
這是一項重大舉措：學術界、美國國家實驗室和產業界的研究人員將首次並肩工作，旨在加速基礎量子資訊科學研究。更多的研究應該使我們更接近先進的量子技術以及量子資訊科學的宏偉目標，即創造一臺能夠無限期無錯誤計算的容錯量子計算機。
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為什麼我們需要量子計算機？我們需要它們來加速科學發現的過程，以便我們能夠應對一些我們最嚴峻的全球挑戰，從為更高效的碳捕獲工廠和電池設計新材料，到更好的藥物和疫苗。傳統上，材料設計很大程度上依賴於意外的發現或漫長而乏味的實驗迭代過程。在過去的半個世紀裡，經典計算機透過執行分子模擬大大加速了這一過程。然而，經典計算機無法足夠精確地模擬複雜分子，而這正是量子計算能夠發揮作用的地方。
量子計算機依賴於與原子相同的物理規則來處理資訊。就像傳統的經典計算機執行邏輯電路來執行軟體程式一樣，量子計算機利用疊加、糾纏和干涉的物理現象來執行量子電路。在不久的將來，它們應該能夠執行超出目前和未來最先進的經典超級計算機能力範圍之外的數學計算。
但是，要實現這一目標，我們需要構建能夠無錯誤計算的量子機器。量子計算機依賴於脆弱的量子位元（qubit），即量子位的縮寫，只有當它們處於精細的量子態時才有用。任何外部干擾或“噪聲”，例如熱、光或振動，都不可避免地會將這些量子位元從它們的量子態中拉出來，並將它們變成常規位元。
克服這一障礙超出了單個團隊的能力範圍，我們需要來自學術界、國家實驗室和產業界的大量科學家來幫助我們實現這一目標。這就是新中心的用武之地。最終，它們將彙集我們所有研發部門的人才，共同解決與量子相關的問題。
以構建一個能夠無錯誤計算的量子系統的問題為例。我們最好的理論估計，要實現這一目標，我們應該在單個冷卻晶片上構建具有數千萬個量子位元的機器。但是我們不想冷卻足球場大小的量子晶片。為了避免這種情況，我們需要許多突破——這意味著我們必須大規模投資研究。幸運的是，一些最新的結果表明，有可能減少我們實現糾錯碼所需的量子位元數量。
但即使我們實現了這一點，我們仍然必須克服另一個障礙：連線量子處理器，就像我們今天使用內聯網連線資料中心內的計算機晶片一樣。這需要量子互連，將儲存在處理器量子位元中的脆弱量子資訊轉移到不同的量子格式（例如，光子），以便將資料“通訊”到另一個處理器。該領域的進展必須 объединить 超導量子位元和光纖等不同的技術，同時解決材料科學和量子通訊領域中尚未解決的挑戰。
研究團隊或許可以單獨解決這些問題，以及量子資訊科學界正在應對的許多其他挑戰。但這將需要數十年時間，而我們等不起這麼久。透過新中心建立夥伴關係和協作，將為我們提供實現我們所需的量子飛躍的機會。憑藉建立強大的國家量子生態系統的長遠眼光，學術界、國家實驗室和產業界合作伙伴最終擁有了量子路線圖。
現在，就看所有參與這項共同努力的合作伙伴如何建立一個量子生態系統和產業了。我們需要大量熟練且多元化的量子勞動力的智慧、才能、創造力和熱情來實現這一目標。