量子信息，特别是量子计算目前是研究的热点，吸引了物理、数学、电子、计算机等诸多专业的研究人员参与。作为物理专业背景的学生，我们应该怎么做理论研究，才能体现出自己独特的价值？我们要如何做量子信息的物理实现理论，才能真正的推进量子信息实验的发展？如果是计算机背景的学生，又应该从哪个角度切入量子信息的理论研究？是研究量子算法，量子计算复杂度，还是量子程序语言？
每一位立志于从事量子信息理论研究的人，在一开始的时候都要思考这些大问题。实际上，这个领域的研究，一开始是理论驱动的，理论远远走在实验的前面。在没有量子计算技术的时候，已经出现了第一个量子算法，出现了量子模拟的概念。而在量子计算实验刚刚出现时，第一个量子纠错码就被发明了，容错量子计算理论也随之建立。这些前瞻性的理论，为过去二十年的实验提供了方向。
今天与二十年前，有了很大的差别，我们有了二十个以上量子比特的芯片，能够实现保真度99%以上的量子逻辑门，能够高保真的读出量子比特，等等。一方面，要实现逻辑比特，可容错量子计算还需要解决很多技术与理论问题！可另外一方面，这个中等复杂度，质量也是中等的量子计算芯片，其实际的计算能力，却又含混不清。实验的进步，急需我们给出恰当的理论来标度其计算能力，从而可以找到其合适的应用。正是看到了这些可能的应用，国内外一流的IT公司都开始进入量子计算领域，开始技术积累。有趣的是，中国的BAT选择的都是理论计算机专家来领导其量子计算研究。实验技术在某些方面已经走到了理论的前面，我们必须与实验密切合作，测试这些芯片，从测试数据中猜规律，找灵感，找应用。
理论与实验合作，很多时候是螺蛳壳里做道场。我们期待有任意可控的高保真度多比特量子芯片来验证高大上的理论，可实验合作者告诉我们，他手头的这块芯片只有3个比特，还不能随意调控。我们必须学会在这样的限制下找到合适的理论故事。经过一段时间的磨合，实验技术提升，理论与实验合作更加默契之后，才可能与实验专家共同设计芯片的结构，针对未来的实验来设计优化芯片。
目标是什么，直接决定了量子芯片的设计思路。比如说，量子计算目前学术界瞄准的核心目标是纠错：实现可纠错的逻辑量子比特。依照量子电路模型进行分析，如果使用surface code编码，需要对量子比特的初始化，逻辑门，以及读出都有高保真度（99%以上）。特别是对量子逻辑门，保真度最好要超过99.9%，才有可能谈得上纠缠。超导量子系统中，两比特逻辑门的保真度记录，我记得Martinis组做出的，99.3%左右。离子阱系统中的记录应该是超过99.9%了。在这么高水平上，继续提升保真度，难度是越来越大。要发展量子纠错实验技术，芯片的设计，就要瞄准延长相干时间，提升可操控性和读出效率，降低控制误差。理论学者可以与实验合作者共同规划量子控制方案，从理论上设计合适的系统框架，使得其对错误不那么敏感。
但是定什么样的目标，除了跟目前国际上大家关注的研究瓶颈有关，还跟实验组能够拿到的资源也是直接相关的。如果拿不到充足的资源，是无法在竞争最激烈的量子计算中占有一席之地的。那么，就只能退而求其次，在量子计算芯片上做一些基础物理实验。这些工作，正好是理论学者很擅长的。随着量子计算芯片的规模与质量越来越高，它上面能够开展的原理性验证实验也会越来越多，是理论学者们非常好的帮手。
总结一下，不管做什么样的理论，培养人是最重要的。要把量子计算机这样一个伟大的构想，从理论变为现实，需要无数人通力合作：要有天才的设计者，也要有踏踏实实的实干家。
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