作爲一種廣爲關注的未來颠覆性技術,量子計算在 2023 這一年裏取得了驚人的進步。就在剛過去的 12 月,IBM 的量子峰會如期舉行,發布了千比特規模量子處理器 Condor、更高性能的 133 比特處理器 Heron、全新的路線圖,以及量子操控與運行時環境 Qiskit 的大版本更新。
同樣在 12 月,由哈佛大學 Lukin 團隊、初創公司 QuEra 等團隊合作取得了一項驚人的成就:在一個 280 物理比特的中性原子體系中實現了碼距爲 7 的表面編碼邏輯量子比特,以及碼距爲 2 的 48 個邏輯比特。在此之前,最大碼距的表面編碼邏輯量子比特紀錄由超導量子計算體系—— Google 的 "Sycamore" 量子處理器保持,而這一進展同樣發生在 2023 年。
國内在量子計算領域同樣取得了很多可喜進展,包括中國科學技術大學團隊實現 d=3 表面編碼演示、51 比特糾纏态制備、糾錯模态制備;北京量子信息科學研究院發布 136 比特 Quafu 量子計算雲平台;南方科技大學團隊首次在二項式編碼的糾錯體系中超越 " 盈虧平衡點 ",等等。
如果嘗試從這些進展中提煉幾個關鍵字,會包含" 規模 "" 性能 "" 糾錯 " 以及 " 中性原子 "。經曆了 2023 年的嘗試和努力,我們更加清楚該如何在 " 規模 " 和 " 性能 " 上保持良好的平衡,以及如何用 " 更爲聰明 " 的方式,例如通過對噪聲模型進行學習并外推估計的錯誤緩解方法,來進行複雜的量子計算。
我們也開始将更多的注意力放到量子 " 糾錯 " 的工程實現上,并在這項巨大挑戰面前邁出了堅實的一小步,因爲越來越多的人意識到沒有糾錯保護的話,将很難迎來真正的商業量子計算優勢;或者這一優勢的邊界很窄,無法如業界普遍預想的那麽廣闊和深遠。" 中性原子 " 則用實力向世人證明了這是一種富有前景的量子計算實現方案,有人認爲它已經跻身前三的位置,僅次于超導和離子阱方案。
回首 2023 年後,大家更加關心的還是 2024 年量子計算會取得哪些突破?商業量子計算優勢會在這一年到來嗎?如果會,它将最先改變哪些行業或領域?如果不會,人們對量子計算的預期會發生怎樣的變化?盡管對未來做展望如同預測薛定谔的貓之死活般缥缈,我們還是嘗試基于最近取得的進展來對未來做些評論。
首先,量子計算的發展速度将會一如既往地保持高速,但正如 IBM 量子副總裁 Gambetta 所說,相比一些具體的指标如量子比特數量、門操控保真度等,人們将更加關注該如何 " 更聰明 " 地進行計算。這包括從系統和架構層面去思考如何發揮量子計算的效能,如何讓經典計算與量子計算更加緊密地融合等等。因此,可以預測,在短期的未來,人們将不再那麽熱衷于提升量子比特的規模,而是關注如何充分發揮百比特規模體系的能力,以及如何基于可靠的、高性能的處理模塊進行模塊化擴展。
與此同時,量子糾錯将持續取得進展——更深碼距的量子糾錯,以及新的糾錯碼的演示将出現,從而加深我們對糾錯的理解。不過實現實用級别的量子糾錯仍是一件極爲困難的事,業内普遍認爲應該在十年的時間尺度上發生。
至于商業量子計算優勢是否會在 2024 年出現,個人覺得概率并不高。這基于兩個事實:
首先,至少三年内的量子計算仍将是在含噪聲的體系上執行,而目前的量子硬件水平,尚無法支持實用級别的含噪聲量子計算所需的量子體積;
其次,量子計算仍缺乏更爲廣泛和深度的企業參與。目前的市場參與主要集中在上遊和中遊,而下遊的參與度很低,這将導緻針對商業場景 " 提出問題 " 的能力不足。如果非要問 " 萬一 " 出現,哪些行業将最先受影響的話,我大膽地預測量子計算優勢将最先随同人工智能對行業進行滲透,其他廣受關注的含噪量子算法應用,如組合優化、分子計算等,則将有待硬件能力的進一步提升。
如果 2024 年量子計算的應用預期沒有突破,我們不用感到意外,也完全不用感到失望,畢竟這是一項颠覆性技術改變世界之前必須經曆的。2024 年,人們對量子計算的預期,将變得更爲理性,這對于行業和技術發展而言是好事——科學家和工程師可以更爲專注于解決真正的問題,而不是迎合資本的喜好。
最後,作爲一個量子計算的深度參與者,我對整個領域的發展是保持長期樂觀的。近期的進展表明了其強大的生命力,以及量子技術改變世界的迫切性和必然性。讓我們用一種坦然、欣然的态度迎接 2024 吧!如比爾 · 蓋茨所說:" 我們總是高估未來兩年的變化,卻低估未來十年的變革 ",2024 年或許會給我們驚喜,或許會讓我們失望,但量子計算對人類的變革性是必然的,也是當下的我們無法估量的。