文/Doug Finke，Global Quantum Intelligence公司首席內(nèi)容官

在市場(chǎng)研究公司Global Quantum Intelligence（GQI）提供的資料中，我們看到了量子提供商的許多發(fā)展路線圖，從這些信息中可以預(yù)見的是：在未來幾年內(nèi)，量子硬件和量子軟件的能力將繼續(xù)進(jìn)步。我們相信，在未來幾年內(nèi)，我們將開始看到企業(yè)將量子技術(shù)用于生產(chǎn)目的，我們稱之為“量子生產(chǎn)”，以區(qū)別于一次性概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

盡管我們最初預(yù)計(jì)在2030年代之前不會(huì)看到容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)（FTQC），但最近的進(jìn)展使我們相信，我們將在本世紀(jì)下半葉開始看到我們所說的早期FTQC處理器。我們衡量量子計(jì)算機(jī)能力的一種方法，是我們稱之為Quops的衡量標(biāo)準(zhǔn)，它代表成功的量子運(yùn)算。我們根據(jù)以下時(shí)代對(duì)量子進(jìn)化進(jìn)行分類：中期、早期、大規(guī)模和成熟，這取決于這一代的Quops機(jī)器的處理能力。Quops是量子處理器中可用量子位的數(shù)量和這些量子位的邏輯錯(cuò)誤率（LER）的函數(shù)。

對(duì)于沒有任何糾錯(cuò)功能的噪聲中等規(guī)模量子（NISQ）處理器，邏輯錯(cuò)誤率將與物理錯(cuò)誤率（PER）相同。但在實(shí)施糾錯(cuò)碼的FTQC機(jī)器中，LER將比PER好得多，糾錯(cuò)碼將物理量子位組合在一起以創(chuàng)建邏輯量子位。這就是糾錯(cuò)技術(shù)的目的。

FTQC：容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)

我們希望在未來五年內(nèi)看到早期的FTQC計(jì)算機(jī)，其能夠?qū)崿F(xiàn)MegaQuops或GigaQuops機(jī)制中的功能。這些初始機(jī)器可能包含幾千個(gè)物理量子位，這些量子位將轉(zhuǎn)化為大約幾百個(gè)邏輯量子位。這應(yīng)該足以運(yùn)行一些有用的應(yīng)用程序，但仍然不夠強(qiáng)大，無法運(yùn)行像Shor算法（運(yùn)行該算法需要具備TeraQuops功能的機(jī)器）這樣的密集量子應(yīng)用程序。我們預(yù)計(jì)這些大規(guī)模FTQC計(jì)算機(jī)要到2030年代才能使用，它們將為計(jì)算提供數(shù)千個(gè)邏輯量子位，可能還有數(shù)百萬個(gè)物理量子位。

表1展示了糾錯(cuò)如何使用一種稱為表面碼的特定糾錯(cuò)碼，作為初始PER的函數(shù)來改善LER。正如所料，代碼開頭的PER越好，得到的LER就越好。但另一個(gè)因素會(huì)影響組合在一起以創(chuàng)建邏輯量子位的物理量子位：我們稱之為物理與邏輯之比。具有較大物理與邏輯比率的代碼，將提供更好的抗錯(cuò)性。在圖1中，第三列描述了用符號(hào)[[n，k，d]]實(shí)現(xiàn)的代碼。n表示組內(nèi)使用的物理量子位的數(shù)量；k表示它創(chuàng)建的邏輯量子位的數(shù)量；d表示編碼中碼字之間的距離，距離越大，代碼檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤的能力就越強(qiáng)。除了表1中使用的表面代碼外，還研究了許多其他可能更高效的代碼，具體取決于代碼及其實(shí)現(xiàn)的特定量子處理器。

表1：使用表面碼作為初始PER的函數(shù)來改善LER（來源：Global Quantum Intelligence）

NISQ：噪聲中尺度量子

另一方面，我們也看到了更強(qiáng)大的噪聲中尺度量子（NISQ）處理器和相關(guān)算法的進(jìn)步，這些處理器和算法也有望在2025-2029年間運(yùn)行有用的應(yīng)用程序。我們已經(jīng)看到一些公司為其物理門展示了大于99.9%的雙量子位保真度。我們還看到了算法的進(jìn)步，以充分利用這些物理門。該軟件包括混合經(jīng)典/量子架構(gòu)、變分量子算法、誤差緩解和抑制技術(shù)、電路編織、零噪聲外推、概率誤差消除和其他經(jīng)典后處理，以改善量子結(jié)果。此外，我們看到的路線圖表明，在本世紀(jì)下半葉，我們可能會(huì)擁有10000個(gè)物理量子位的NISQ處理器。

最終用戶到底會(huì)選擇使用能提供大約100個(gè)邏輯量子位、雙量子位門保真度大于99.9999%的早期FTQC計(jì)算機(jī)呢？還是希望使用包含1000個(gè)物理量子位、雙量子位門保真度為99.9%或99.99%的NISQ計(jì)算機(jī)呢？可能未來五年內(nèi)就會(huì)看到一個(gè)有趣選擇結(jié)果。

許多量子研究人員懷疑，是否能在NISQ量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行有用的應(yīng)用程序。除了這些機(jī)器仍然存在噪音問題之外，另一個(gè)原因是，許多這些應(yīng)用程序?qū)⒁蕾囉趩�發(fā)式算法，如QAOA或VQE，理論上沒有人能證明這些算法是有效的。

人們需要嘗試一下它們是否有效。另一方面，有理論證明顯示，某些算法（如Shor算法）可以在FTQC上運(yùn)行并提供準(zhǔn)確的答案。但我們要提醒讀者的是，最近流行的許多經(jīng)典人工智能（AI）算法也是啟發(fā)式的，計(jì)算機(jī)科學(xué)家還沒有理論證明它們是有效的。

最近在arXiv網(wǎng)站上看到一篇題為《A typology of quantum algorithms》的特別有趣的論文。在這篇論文中，作者根據(jù)許多不同因素對(duì)133種不同的量子算法進(jìn)行了分類，包括該算法是否可以在NISQ處理器上實(shí)現(xiàn)，或者是否需要大規(guī)模量子（LSQ）處理器。文章末尾的摘要分類表中顯示的133種算法中，共有50種被歸類為使用NISQ處理器的潛在候選算法，而其余候選算法需要LSQ機(jī)器。在FTQC量子計(jì)算機(jī)可用之前，這些NISQ算法中的一種可能確實(shí)可以提供可用的商業(yè)量子生產(chǎn)。

我們還不能確定哪些量子應(yīng)用能夠在哪些機(jī)器上提供商業(yè)上有用的結(jié)果。但有一件事讓我們感到樂觀，那就是創(chuàng)新方法的多樣性和組織在硬件和軟件方面的快速進(jìn)步，使我們能夠?qū)⑾到y(tǒng)用于有用的量子生產(chǎn)。盡管其中一些創(chuàng)新方法將會(huì)失敗，但我們完全相信，其他方法將在未來幾年內(nèi)發(fā)揮作用，并開始實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的承諾。未來幾年，生產(chǎn)中的應(yīng)用程序可能只有少數(shù)，但隨著更多TeraQuop大規(guī)模FTQC系統(tǒng)的出現(xiàn)，這一最初的小數(shù)量將在2030年代大幅增長，這將使更多的算法能夠成功運(yùn)行。

雖然有些人可能希望看到NISQ時(shí)代的結(jié)束和FTQC時(shí)代的開始之間有一個(gè)明確的界限，但實(shí)際上這些時(shí)代將重疊，我們將看到一個(gè)漸進(jìn)的過渡。