量子信息处理25年技术回顾

25年的量子信息处理（QIP）

作为量子计算领域的主要会议庆祝其周年纪念之际，我们邀请会议主席和某机构量子计算项目负责人进行评估。

作者：Larry Hardesty

2022年3月10日

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会议：QIP 2022

1981年，在波士顿的一次会议上，物理学家理查德·费曼提出，利用量子力学现象的计算机可以轻松完成经典计算机难以完成——甚至几乎不可能完成的计算。

托马斯·维迪克（左），加州理工学院计算与数学科学教授，第25届量子信息处理年度会议主席；西蒙·塞韦里尼（右），某机构量子计算主任。

1994年，贝尔实验室数学家彼得·肖尔证明，量子计算机（当时仍是完全假设的设备）可以比经典计算机指数级更快地进行因数分解。麻省理工学院量子计算研究员赛斯·劳埃德曾说：“肖尔算法成为了让所有人都感兴趣的杀手级应用。”三年后，即1998年，第一届量子信息处理会议在丹麦奥胡斯举行。此后，量子计算已成为领先科技公司的主要研究计划，而QIP已成为量子信息处理领域的首要会议。

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为纪念QIP成立25周年，某机构科学博客邀请了两位杰出的量子信息科学家——托马斯·维迪克（本届QIP主席）和西蒙·塞韦里尼（某机构量子计算主任）——就过去25年该领域取得的进展以及未来仍需努力的方向回答了两个问题。

在过去25年中，我们在量子信息科学方面的发现最令您惊讶的是什么？

托马斯·维迪克： 老实说，是我们能够运行一个20量子比特的量子算法，而且它实际上看起来正如计划进行。虽然我的整个研究基于量子力学是对自然足够精确的描述这一假设，使得研究其对计算的影响是有意义的，但真正“看到”这样的计算发生是一种启示。（我需要用引号，因为当然我们无法在不影响量子计算的情况下看到它。但对于小型计算，我们可以非常详细地绘制结果统计数据。）对我来说，启示发生在几年前，当我看到门罗研究组使用离子阱实现的西蒙算法针对一个4位秘密的结果时。我简直不敢相信：它精确地采样到了正确的字符串。

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甚至不用回溯25年，只需15年前，当我攻读硕士学位时第一次了解到量子计算这件事，它成为现实的可能性绝对不在我的视野之内，我相信也不在大多数理论家的视野之内，更不用说实验家了。我认为，了解到量子计算是可行的——而不是相信它可行——对我们处理量子信息科学的方式产生了重大影响。

西蒙·塞韦里尼： 量子信息科学促成了物理学、数学和计算之间丰富的相互作用。这种相互作用产生了跨越这些领域边界的新技术。

Ernesto F. Galvão（国际伊比利亚纳米技术实验室量子和线性光学计算组负责人）、Iordanis Kerenidis（QC Ware量子算法负责人、法国国家科学研究中心高级研究员、巴黎量子计算中心主任）和Severini在2001年阿姆斯特丹第四届QIP会议上。

一个美丽的例子是2020年Ji、Natarajan、Vidick、Wright和Yuen应用量子复杂性理论否定性地解决了康涅斯嵌入问题。康涅斯嵌入问题是抽象代数中的一个问题，其中“代数”是一个集合、一组算子和描述算子如何应用的公理的组合。实数集是一个例子，算术运算符是一组算子的例子，但在抽象代数中，这些可以是任何东西。康涅斯问题询问一类代数是否包含在另一类代数中。阿兰·康涅斯在1976年的一篇论文中提出了这个问题，该论文使他在1982年获得了菲尔兹奖。此后，该问题在数学的几个不同分支中被重新表述；多次会议专门讨论这个问题。

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Ji等人的结果是一个令人惊讶的案例，其中量子信息科学工具箱中的概念和技术被证明在数学和自然科学的其他领域产生了影响。而这只是众多激动人心的例子中的一个。

您认为该领域最大的剩余挑战是什么？

托马斯·维迪克： 该领域面临的明显挑战是，在实验方面，实现量子计算机，特别是降低错误率的同时扩大系统规模；在理论方面，为这样的计算机寻找应用。作为一个理论家，我倾向于认为第一个挑战是艰巨但绝对可解决的工程挑战，而我对第二个挑战的最终结果不太有信心：除了量子模拟中的小众应用和后量子密码学的广泛部署之外，量子计算机会进入日常消费者生活吗？

这是一个价值数十亿美元的问题；但老实说，这不是我最关心的问题。更贴近我心、也许不那么明显的是，如何维持量子信息科学在过去四分之一个世纪中一直保持的连贯性、活力和影响力，并贯穿下一个四分之一个世纪（甚至更久）！当我回顾早期的QIP项目时，几乎不关心理论结果的近期适用性。相比之下，我断言在过去几年的QIP科学项目中，几乎有一半具有某种“近期”动机，这可能并不夸张。

西蒙·塞韦里尼： 在今天这个复杂而快节奏的世界中，我们不应忘记基础科学仍然是未来创新的根源。

在当今复杂而快节奏的世界中，我们不应忘记基础科学仍然是未来创新的根源。

西蒙·塞韦里尼

这种演变反映了对我们作为研究人员工作的潜在实际影响的真实而合理的热情，这在25年前还是如此遥远的前景，甚至根本不在我们的脑海中。这种演变将对我们领域的健康和多样性产生什么影响还有待观察。QIP会分裂为“应用”QIP和“理论”QIP吗？如果会，这种分裂是否会以保持两个部分之间强交互的方式进行？量子信息的理论工作能否在计算机科学界保持其力量和地位，无论实验方法的成功或失败？

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西蒙·塞韦里尼： 观察量子信息科学如何从学术界溢出到工业界是令人兴奋的。我们今天在这一领域看到的更广泛的兴趣是一个巨大的机会，但也存在风险。我认为该领域最大的非技术性挑战是在一个试图平衡科学研究和工程的环境中有机而稳定地成长，同时提出具有未来影响的商业途径。在当今复杂而快节奏的世界中，我们不应忘记基础科学仍然是未来创新的根源。为了实现量子技术（如能够超越经典工程的处理器和通信设备）的长期承诺，今天设定正确的期望非常重要。在这种背景下，支持教育和科学发现，并强调长期愿景的必要性至关重要。

研究领域

量子技术

标签

量子计算， 量子纠错

会议：QIP 2022

关于作者

Larry Hardesty是某机构科学博客的编辑。此前，他曾是麻省理工科技评论的高级编辑和麻省理工学院新闻办公室的计算机科学撰稿人。FINISHED