目前量子计算能有哪些应用？ | 量子科技问与答

提问

Questions

解答

Answers

Q

目前量子计算能有哪些应用？

答：随着“量子计算优越性”里程碑的达到，目前量子计算已经进入了“有噪声的中等规模（NISQ）”阶段。这一阶段的量子计算原型机面临的最大挑战是噪声，导致量子算法的规模稍大，计算结果就被噪声淹没。国际学术界的主流观点是，在NISQ阶段可能体现“量子优势”的应用主要是对凝聚态物理、量子化学等领域的复杂问题进行量子模拟。

举一个例子，假设用经典计算机对一个包含300个两能级原子的量子系统进行模拟。由于量子叠加原理，300个两能级原子的态空间维度将达到2300，这一数字已经超过已知宇宙中原子数目的总和，这意味着即使用宇宙中每一个原子来做存储器都无法存储如此大的状态空间，因此，经典计算机无法有效模拟量子系统的行为。量子模拟的原理则是人工操纵300个量子比特，用这些可控的量子比特的演化来模拟真实的多体量子系统，也即是“用量子来理解量子”。

由于量子模拟并不要求特别高精度的量子比特制备和量子逻辑门操纵，因此有望成为近期真正实现“量子优势”的应用。例如，在凝聚态物理领域，我国学者成功构建了“天元”超冷原子量子模拟器，成功验证了费米子哈伯德模型中的反铁磁相变，朝向获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用迈出了重要的第一步[1]，而这一问题的计算复杂度非常高，即使是超级计算机也无法进行有效的数值模拟。在量子化学领域，我国学者通过相干操纵超冷分子，成功获得了多达49个电子的三原子分子的势能面信息[2]，这一问题由于涉及多个电子，同样无法通过经典数值模拟有效求解。未来3至5年，将有望实现专用的量子模拟机，用以解决经典计算机无法胜任的若干重要科学问题，包括量子化学反应动力学、高温超导机理、拓扑物态等。值得指出的是，即使在未来实现了专用量子模拟机，其应用也集中在前沿研究领域，距离大规模商用仍然比较遥远。

将量子计算与AI结合是现阶段开辟量子计算应用领域的另一可能途径。AI+量子计算的优势在于：（1）量子计算提供高效初始态，AI优化后续计算；（2）AI帮助克服量子设备的噪声和资源限制；（3）两者结合为复杂系统的精确描述提供了强大工具。例如，我国学者提出将量子计算与基于Transformer的神经网络结合的方法，利用量子计算机生成纠缠态，并通过AI进行高效训练和推理[3]。利用此方法，在处理铁硫簇等强关联系统时，精度和效率均得到了提升。AI+量子计算不仅大幅提升了计算精度，还显著加快了收敛速度，同时节省了量子资源。

总体而言，现阶段量子计算系统的硬件性能还不足以在具有重要价值的实际问题上实现量子优势，量子计算的应用还在探索之中。而量子计算能够大规模应用的前提是实现容错通用量子计算机，这要求达到百万量级量子比特的操纵，还需要10至15年的发展。对量子计算的长远发展，一方面需要来自政府和民间的耐心支持，另一方面要杜绝炒作，营造积极且理性的发展环境。

A

参考文献：

[1] Shao et al., Antiferromagnetic phase transition in a 3D fermionic Hubbard model, Nature 632, 267 (2024).

[2] Yang et al., Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold 23Na40K + 40K collisions, Science 363, 261 (2019).

[3] H. Shang, et al., Rapidly Achieving Chemical Accuracy with Quantum Computing Enforced Language Model, arXiv:2405.09164.