如何实现量子计算实用化

为实现量子计算实用化，人们已经规划了一份粗略的路线图，里面既涉及技术进步也有产业应用。下面我先对此路线图做简要的分析介绍。

第一步是利用量子计算机完成经典计算机难以完成的任务，即实现量子优越性（quantum supremacy）。这个概念是加州理工学院约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）教授2012年首次提出的。他认为，当我们可以操控的量子比特数目达到50到100个时所做出的专用量子计算机，其计算能力有望超越目前最好的经典计算机。通过设计合适的算法，就可以用这台量子计算机来完成某些特定的计算任务，解决经典计算机难以计算的问题。这一步在中美科学家的努力下已经完成了，人们在超导电路、光子等不同的量子计算系统中都实现了量子优越性。

第二步是随着量子优越性的达成，寻找实际场景中的计算任务，让量子计算机发挥出远超经典计算机的能力。 预计到2025年，量子计算机中包含的量子比特将达1000个，量子逻辑门的错误率将会控制在千分之一以下。在此阶段，人们还无法通过测量和反馈控制量子计算中错误带来的影响，我们把它称为中尺度含噪声量子计算机。虽然对于某些特殊的问题，它已经超越了经典计算机能力的极限，但让中尺度含噪声量子计算机真正发挥产业应用，仍是一个极具挑战性的问题。目前人们正在尝试用此系统完成实现材料的模拟计算，分子光谱的预测，乃至出租车路线图规划等。

第三步是实现可容错、可编程的通用量子计算机。据理论估算，当量子计算逻辑门错误率在百分之一以下，且量子比特数超过1000个时，我们就可以通过量子纠错来控制错误，确保量子计算的可靠性。而要实现可容错的通用量子计算机，运行量子算法破解RSA公共密钥协议，我们操控的量子比特数目将在10万乃至100万量级。从操控1000个量子比特跨越到操控百万个量子比特，将是巨大的技术挑战，需要我们超越目前人类的技术极限。

由上可见，量子计算的实用化面临巨大的挑战，它不仅是科学技术问题，也与产业应用息息相关，需要多学科背景的人通力合作才能完成。量子计算本身是分层级的，最底层是物理层，比如量子计算的芯片电路、量子比特所承载的材料等，物理专业背景的人才大都在此层级开展研究。在这之上是量子控制层，涉及对量子计算芯片的最优化控制与读出等，需要大量应用物理和电子工程专业的人才。量子控制层之上是量子电路层，这一层包含量子逻辑门序列等，因而电子工程和计算机背景的人才都可以大显身手。在量子电路层之上是量子算法层面，再往上会涉及量子程序等，在此层级开展研究，最好有理论计算机和程序设计的研究背景。在量子计算实用化过程中，必然会吸纳大量经典计算机学者和程序员加入进来，并充分借鉴经典计算机的发展经验。