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量子科学是如今科技发展的一个重点,许多国家和大型高科技企业对量子计算等领域纷纷进行了战略布局。在2021年世界顶尖科学家论坛量子计算论坛上,两位诺贝尔物理学奖获得者深入介绍了量子计算相关领域。

2012年诺贝尔物理学奖得主戴维·瓦恩兰(David J. Wineland)表示,量子计算发展到今天,现在虽然已经展示了“量子计算优越性”——在一些具体问题的解决上,量子计算机的效率远远高于经典计算机,但是,目前解决的问题没有一个展示了量子计算的真正实力。

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瓦恩兰表示,目前还需要其他的基准测试工具来帮助我们开发计算机,直到实现一个由量子计算机构成的宇宙。当然,这还有很长的路要走,但随着量子计算的发展,很多其他领域也终将受益,如量子传感等。

瓦恩兰回顾了量子计算的发展历史。

据介绍,戴维·多伊奇首次提出了量子图灵机的架构。之后,斯蒂芬·威斯纳定义一种制造量子货币——始祖版量子比特币的方法,并长期深入地研究量子密码术。20世纪80年代早期,理查德·费曼在可逆经典计算会议上提出了一个伟大而有趣的想法——使用量子系统作为最好的可逆机,因为原则上量子态是完全可逆的。

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90年代中期,彼得·秀尔提出了一个算法,并预言如果能制造出这种计算机就可以有效地影响进行大量数据运算。这引起了情报界的高度兴趣,因为他们使用大量的加密文档,担心其安全性。

瓦恩兰表示,现在,人们距离制成实用量子计算机还有很长一段路。不过,一旦有了量子计算机,很多在经典加密系统中存在的问题会慢慢地消失,很多信息可能会被破解。

目前,量子计算仍然存在一个巨大问题——它们非常容易受到环境噪声影响而产生错误。为了给量子计算纠错,研究者使用了量子纠错码,一般通过将单个比特的信息编码到多个比特上来纠错,这样一来又要巨大数量的量子比特。

瓦恩兰表示,目前,纠错仍然非常困难。为了在无需纠错的情况下进行量子通信,约翰·裴士基(John Preskill)提出了“噪音中尺度量子”这个概念和想法,目前该领域已经取得了一定进展。如果在这期间能产生一些有趣的中间尺度的系统,肯定会大大刺激通用量子计算机的工作。

瓦恩兰总结说,未来量子计算研究的愿景是更好的量子比特和更好的控制。

2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)则更多从物理专业领域谈论量子计算,他首先介绍了量子色动力学和量子计算对它的影响。量子色动力学是一种强相互作用的规范理论,它描述组成强作用粒子(强子)的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用。

维尔泽克指出,即使借助超级计算机和大规模计算,想要通过数值模拟解量子色动力学方程的方式,来揭示时空中的量子涨落和相关粒子的质量都是异常困难的。但是量子计算机不仅可以简化这些复杂的计算,还可以建立单个核内的粒子,构建原子核,到原子,甚至是整个世界。

维尔泽克表示任意子可能对量子计算非常有用。任意子不能存在于自由空间中,但可以存在于特定的材料中,并具有相互纠缠的特性,它们之间的相互作用取决于路径的拓扑结构。任意子复杂的路径函数可以作为存储和操作信息的一种方式来制造拓扑量子计算机。

拓扑量子计算机能够解决量子信息易被干扰的问题。如果我们拥有的信息在逻辑上存储在任意子上,这些路径的拓扑结构虽然会因外界扰动或小的噪声源干扰产生小的摆动,但由于不会改变其路径的拓扑结构,就不会破坏以这种方式存储和操纵的量子信息。因此这种拓扑量子计算机将具有很大优势。

维尔泽克还重点介绍了时间晶体。“时间晶体”是一种四维以上的空间晶体,它会随着时间演化周期性地自我重复。他指出,时间晶体既是量子计算的试验场,也是非常有趣的物理系统。

维尔泽克预言,可以使用量子模拟器和非常有创意的方法来测试理论和构建新型时间晶体。他还具体给出了两种方法:第一种,使用量子模拟器精确地描述氮空位中心的特征,并用外场和非常复杂的方法操纵它们,建立一个理论上的时间晶体,并检验它的正确性;第二种,使用备受关注的谷歌悬铃木量子计算机作为量子模拟器,建立一个更复杂的时间晶体模型。

目前,该领域最前沿的研究更关注如何建立创造性地利用噪声的模型。这生动地诠释了物理学中的思想可以被用来提高我们的计算能力,同时更好的计算能力也给我们提出和解答有趣物理问题提供了更多新方法。

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