我們進入了量子計算的新時代

量子計算雖然是新生事物，但近期的研發突破表明我們已經進入了一個新的時代，而每個新時代都會被賦予一個特殊的名字。因此，當未來的計算歷史學家回顧從2017年左右開始的量子計算時代時，他們會用一個詞來形容它：NISQ時代。

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定義

NISQ時代指的是含噪音的中型量子技術時代，全稱是「Noisy Intermediate-Scale Quantum Technology era」，它是由John Preskill在美國加利福尼亞NASA埃姆斯中心上個月舉行的量子計算機商業（Q2B）會議上提出的。會議聚集了來自世界500強企業的商界領袖和量子計算專家，探討了他們應該如何獲得量子計算機的實際應用。Preskill近日發表了一篇基於他在Q2B大會上講座的論文，詳細闡釋了「NISQ時代」的含義。

Preskill寫道：包含50-100個量子比特的量子計算機的運算執行能力可以超越目前的經典數字計算機，但是量子門中的雜訊會限制可靠執行的量子線路的大小。

量子計算機是基於與普通計算機完全不同的體系結構解決問題的計算機。普通或傳統的計算機通過將數據轉化為數十億相互作用的「比特」或者代表兩種不同狀態的物理系統來解決問題，如依賴於其他開關係統的開關。而量子計算機使用的是量子比特，它們在執行計算時能夠同時表示0和1兩種狀態。量子比特在使用量子力學的規則進行計算時相互發生作用，即專業所述的「量子干涉」或「量子糾纏」。

谷歌很快就會宣布他們已經實現了「量子霸權」，這也是Preskill在2012年創造的一個術語。這意味著他們將構建一個能夠比普通計算機更快地解決特定問題的量子計算機，該量子計算機將需要大約50個量子比特，這是當今的經典計算機無法模擬也難以匹敵的。但量子計算方式真正具有革命性的問題仍然面臨許多挑戰。

那麼，我們現在已經進入的「NISQ時代」是什麼樣的呢？Preskill解釋說，NISQ時代的量子計算機將包含50至幾百個量子比特。但是這些量子比特會很嘈雜，這就導致它們可能會迅速崩潰為常規的比特，或輸出一個不正確的值。Preskill寫道：「這種雜訊將會嚴重限制量子器件在短期內能達到的效果。」

Preskill坦誠地表示，只有出現某種量子糾錯才允許強大的量子比特和量子比特之間產生相互作用，NISQ時代的量子計算機並不能可靠地執行超過1,000個雙量子比特操作的線路。而且，這些計算機輸出的最終答案依然會有錯誤，以及如何擴展量子計算機的問題依然存在。

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作用

NISQ時代的量子計算機會有什麼用呢？最重要的是，他們將能夠比傳統計算機更好地模擬許多粒子的相互作用。 Preskill解釋說：「使用包含100個量子比特的噪音設備已經可以搜集到有價值的信息了。」

我們也會發現他們是否可以比普通電腦更好地解決優化問題。基本上是找到一個複雜問題的最好解決方案，比如如何派出一隊計程車上路，而保證他們不會出現路徑交叉。我們還能發現D-Wave的專用量子計算機（也稱量子退火機）是否能夠比經典計算機更快地解決這類問題。

我們能夠發現機器深度學習的優勢，但是我們不太可能在短期內看到量子密碼學或量子計算機網路。

人們普遍認為Preskill的講座很有價值。奧斯汀德克薩斯大學的理論計算機科學家Scott Aaronson在他的博客中寫道：「你是否希望自己有一些比克隆更好的東西，也就是說，一個正確寫出你想寫的東西的人？而且寫出來的東西能夠比你所想的好十倍。」

專家強烈建議大家去閱讀Preskill的講座論文，因為它只針對那些只有量子計算機入門知識的人。但總而言之，NISQ時代只是一個量子計算機能夠完成傳統計算機無法做到的事情的時代。但是這些量子計算機仍然有太多的缺點，因此目前依然無法產生革命性的巨變。正如Preskill自己寫的，量子計算機可能要數十年才會對社會產生「變革性的影響」。

在此之前，研究人員和公司將繼續尋找方法使自己的量子比特更具彈性，並不斷擴大量子計算機的規模；數學家將繼續尋找凸顯量子計算機優勢的演算法；物理學家將使用這些計算機做更好的模擬。這一切的努力都將會使我們進入下一個時代。

總結

Preskill最後表示：

量子技術充滿了令人興奮的機遇，當然還有許多意外的驚喜等待我們去發現。不過我們面臨的挑戰依然艱巨，所有的量子學家都應該認識到，我們的領域只有經過幾十年的持續，靈感的努力才能發揮其潛力。只要我們付出了，那麼最終的回報必將超過我們的努力。

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