译者按：

第28届索尔维物理学会议于2022年5月19-21日在布鲁塞尔召开，会议主题为“量子信息的物理”。

著名量子信息科学家约翰·普雷斯基尔在会上做了综述报告，报告内容近日公布在arXiv上。我们在这里将全文译出，供大家参考。

本文上半部分回顾了量子信息科学发展的背景知识，今天我们来介绍量子信息的现状与前景。

如有侵权，请联系删除。

量子信息科学的持续快速发展让这次聚焦于量子信息的物理的索尔维会议恰逢其时。

在这里我回顾这一议题包含的四个相互交织的主题：量子计算机科学、量子硬件、量子物质以及量子引力。

尽管量子计算广泛实用的时间点仍不确定，但我们可以预期，在不久的将来会看到可扩展容错量子计算的显著进步以及可编程量子仿真器带来的发现。

从长远来看，对高度复杂的量子物质的控制有望迎来重大的科学进展和强有力的新技术。

约翰·普雷斯基尔 来源：里斯本大学

现状与前景

• 当前状况

回到量子计算技术，当前的状况如何呢？

量子计算有两个核心的问题，40年前就被明确提出来了。我们要如何对量子计算体系进行扩展，以解决困难问题？还有我们如何在科学和工业中最好地利用其计算威力？

在我看来，两个问题都远未解决。我们努力的目标要以这一认识为指引。

你可能会问，我们应该用已有的含噪中等规模量子计算机做些什么？两个显然的答案是：我们应该用近期的量子计算机去学习如何建造更强大的具有实际影响的量子计算机。而且我们应该更清楚地理解最终如何使用这些实际的量子计算机。

尽管量子计算机的广泛使用还很遥远，在接下来的五年左右仍然有大量的工作可以完成。在这个时间段，我们预计可扩展容错量子计算会取得振奋人心的进步。我们还可以预见可编程量子仿真器和基于电路的量子计算机会带来科学上的全新发现。

• 量子纠错之进展

在通往容错量子计算的过程中，什么才能称得上显著的进展？

我们要能在量子纠错中做到重复多轮精确的错误症状测量。我们还希望看到，当我们引入越来越多的物理比特来编码每一个被保护的逻辑比特时，量子存储时间能持续地大幅提升。

离子阱派可以合理抗议说，他们不需要过多担忧量子存储时间，因为他们的原子型量子比特已经拥有了超长的寿命。确实如此。但对于所有我们目前可见的平台来说，关键之处在于实现纠缠两比特逻辑门的高得多的保真度——只有这样我们才能运行强大的量子算法。

近期我们应该可以看到由量子纠错保护的逻辑两比特门会给出比最好的物理两比特门高得多的保真度，并且得到逻辑门保真度随着码块尺度增大而持续地大幅改善的可靠证据。这些都还没能实现。（译注：这两个目标已分别被量子统/Quantinuum和谷歌/Google公司在近期初步实现。）

现在的状况如何？最近在量子纠错上取得了激动人心的进展；我想强调两个贡献，一个来自谷歌，一个来自霍尼韦尔（现在称为量子统）。（原注：这里的讨论只体现了2022年5月索尔维会议举办之前已经公布过的进展。）

谷歌探讨了量子重复码，利用悬铃木处理器上多达21个量子比特，其中11个用于码块，10个辅助量子比特用于错误症状读取。注意，这不是一种完备的量子纠错码——它防御偏相错误但不防御比特翻转。不过，这仍然是一个让人印象深刻的示范。他们做了接连50轮症状测量，每次花费大约1毫秒，其中大部分时间用于重置辅助量子比特来为下一轮症状测量做准备。他们发现码距每增大4，偏相导致的逻辑错误率就降低到大约1/10，比如当码长从3增大到7，以及从7增大到11。这跟基于设备噪声给出的预期是相符的。

量子统证实7-量子比特码可以纠正发生在任一个量子比特上的任意错误。他们做了连续6轮纠错，每轮需要200毫秒。注意超导与粒子阱装置上相差甚远的循环时间。随着量子计算的进步以及算法运行时间成为越来越重要的考量因素，这一差异会更加突出。量子统使用的是这样一个架构，其中离子被运输到高保真操作可以并列执行的处理区域，而在移动后他们使用另一种离子来感应性地冷却运动中的态。冷却使得他们可以重复多轮症状测量，但这也占用了他们电路的大部分时间预算。

可惜的是，谷歌和霍尼韦尔的机器以及其它现有设备的门错误率仍然太高，使得量子纠错难以改善两量子比特的逻辑门保真度。

• 表面码的容错

在近阶段扩展量子计算规模最有前景的现有方案基于阿列克谢·基塔耶夫25年前提出的表面码。

之前已经提到，表面码有两个巨大的优点：错误症状可以仅通过两维布局中的几何定域处理来提取，并且每个症状比特可以使用只涉及四个数据量子比特的简单电路来读出。因此，表面码可以容许比其它可行的量子码更高的错误率。

尽管表面码比其它码更有效，但它的纠错仍然在所需量子比特数和门数目上承担着相当重的开销。

假定我们能以0.1%的错误率运行物理的受控非门。这比我们目前拥有的多量子比特设备要好，但可能在近期能够达到。这样的话使用包含数百个受保护量子比特和百万个高保真度量子（托佛利）门的电路，我们或许就会开始看到量子优越性。

要执行这些电路，我们可能至少需要数万个物理量子比特。为了利用肖尔算法破解公钥加密系统，人们估计可能需要2000万个物理量子比特。

如果我们能设法让受控非门的保真度达到4个9，也就是提升一个数量级，这会降低一些开销，但我们可能仍然至少需要数百个物理比特来实现一个逻辑比特，才能通过运行现在已知的算法看到显著的量子优越性。这些数字从当前已有技术的角度来看是相当惊人的。

在一个激动人心的近期进展中，人们发现了远比表面码高效的量子码。有朝一日我们可能会使用这些编码来大幅降低容错量子计算的开销。不过，就我们目前所知，这些编码的运行需要比表面码低得多的物理错误率，从而在更好的量子硬件出现之前不太可能有用。

• 更好的门错误率？

如果量子硬件的物理门错误率得到大幅改善，回报会是丰厚的，但这很难实现。

一个特别有远见的提议是拓扑量子计算，其中量子比特被编码在一种可以对噪声提供物理防御的奇异材料中。高保真度的拓扑保护量子门一旦实现，将会是量子多体物理的一个真正的里程碑，更不要说对将来信息技术的影响了。尽管这里的理论想法是引人入胜的，到目前为止实验进展有些缓慢。

也有其它方法可以把对噪声更好的防御并入到硬件本身中去。一些有希望的想法利用了对玻色模的精确操纵，像是超导电路中的微波共振器，离子阱中离子的简谐运动，或是光量子器件中的光学模。

例如，玻色模的GKP（译注：指Gottesman-Kitaev-Preskill）编码态在相空间中具有周期性网格结构，从而可以纠正相空间中的微小移动。玻色型猫码利用相干态的叠加对相位翻转提供强保护，使得物理噪声高度偏置，从而可以在降低开销的情况下用量子码纠正。磁通子素（Fluxonium）量子比特和0-π量子比特利用超导电路中的高电感导致的强非线性来抑制噪声。

在超导量子比特舞台上，所有这些方案都比相对简单的传输子复杂得多；它们还处在一个相对初期的阶段，我们还没法说它们会如何奏效。

不过继续跟进这些以及其它有潜力带来性能飞跃的挑战性方案是很重要的，因为更低的物理门错误率会让我们离量子计算的实际应用越来越近。

• 创造物质的量子态

我们已经掌握的量子技术是令人振奋的，因为它为探索多个纠缠粒子的物理提供了新工具。在这一前沿上，我们最近也取得了显著的进展，包括对物质的新量子相的前所未有的研究。我想强调两个例子。

哈佛/麻省理工小组最近利用219个量子比特的里德堡原子平台创造和探测了量子物质的一种新颖的高纠缠相，量子自旋液体。理论家们已经猜测到量子自旋液体快50年了，但对这种量子态的令人信服的实验证据还从未被找到过，原因有两个。

首先，你需要具有适当性质的材料来构成量子比特，才能得到具有长程量子纠缠的基态。在自然界中，这种材料似乎很稀有。其次，长程纠缠态的性质很难观测到，因为你需要同时对许多量子比特做集体性的观测。里德堡平台高度可编程并且足够全面，从而可以用来仿真这种材料。你还能以足够的保真度测量非定域的观测量，从而识别出长程纠缠的特征。

在斯坦福、普林斯顿、马克·普朗克研究所以及其它地方的大学凝聚态物理学家的指导下，谷歌的悬铃木处理器中的20个量子比特被用于创造和观察一种离散的时间晶体。这是在周期性驱动系统中的一种新物质相，它会以一种不同于该周期性驱动的频率无止尽地振荡。

时间晶体的想法10年前首次提出，之间也有实验部分成功地证实了这一现象，但悬铃木上高保真度的门和精确的单比特读出和控制使得更加令人信服的展示成为可能。

有两件事值得注意。首先，五年前里德堡原子还没有受到量子平台的青睐，但现在它们已经处在高速发展之中。这提醒我们，现在仍处在量子技术的早期，巨大的惊喜可能会不断出现。其次，谷歌的实验是在基于门的量子计算机上做的，而哈佛/麻省理工的实验是以一种可编程的模拟方式做的。这提醒我们，这两种研究量子物质的方法是互补的，并且都很值得去跟进。

这些令人鼓舞的迹象表明，我们正在获取的工具可以在不远的将来创造和探讨许多其它新颖的量子物质相，既包括量子自旋液体这样的平衡态，也包括离散时间晶体这样的受迫远离平衡态。

这些发展真的令人印象深刻。因为首先，在我们当前能预见的量子计算应用当中，材料和化学一般来说是最有潜力造福于人类的，而我们在当前年代已经拥有了可以加深对量子物质的理解的工具，这实在令人激动。其次，对拓扑相的研究可以引发量子纠错和容错的新方法，从而得到远期的回报。

放眼未来，我们将有机会创造出自然界中未曾出现的物质态，而这会给我们带来科学和技术上的巨大价值。

• 量子仿真中的机遇

量子计算对社会的长远影响会是什么？没人知道这一点。我们也没法明确地设想量子计算会如何改变世界。

我已经说过，在目前能清楚预见的应用中，我们认为最能广泛造福人类的是化学和材料应用，这些可以改善人类健康、能源生产、农业以及我们星球的可持续发展。

我们能对预期的影响说得更具体些吗？这相当困难，原因有很多。我们寻求的量子计算应用要满足三个标准。涉及的问题必须难以用常规计算解决，而用量子计算机可以有效解决，并且解决方案必须具有科学与/或实用价值。

利用常规计算机是有方法来模拟复杂分子和高度纠缠材料的，效果还很好，而且越来越快，这不仅因为常规计算机变得越来越强大，更重要的是经典算法也在不断优化。

对于基态和其它低能量态的计算，经典方法是启发式的，没有严格的性能保证。但数值结果显示，对于科学上感兴趣的典型分子或材料，获得精确结果要用到的经典方法，比如那些基于张量网络和神经网络的，对资源的消耗随着系统尺度合理地增长，因为这些系统不是那么深度地纠缠。如果真是这样的话，对于这类问题量子计算机带来的优越性只会是多项式而非指数式增长的。

此外争竞的量子方法也是启发式的，因为要有效获得精确结果，我们必须能在量子计算机上制备出与目标量子态有相当重合度的态，而这也是没有严格保证的。执行态制备任务的通用方法是绝热法，它在拥有由一级相变分离的多个竞争相的系统中会相当昂贵，而这些系统常常是我们感兴趣的。

指数式的量子优越性预期会出现在动力学的量子仿真中，如果我们考虑容易制备的初始激发态，并且让它们在演化中变得高度纠缠，例如在量子场论里基本粒子的深度非弹性碰撞中。这其中蕴含的科学机遇值得我们去深入探讨。

• 量子引力中的挑战

绕回到量子引力，其中哪些挑战我们可以切实地指望在不远的将来获得实质性的进展？

在反德西特空间中的量子引力的情形，对于定域量子物理为何能在比空间曲率尺度更小的距离上提供极佳的近似这一点我们仍然没有很好的把握。此外，我们生活的时空并非反德西特，所以我们需要更加完善的工具来描述渐近平坦或正曲率时空中的量子引力。

反德西特空间有一个便利的特性，那就是时空有一个边界，使得我们能以该边界为参照来定义理论的观测量。但是跟早期宇宙的暴胀宇宙学相关的德西特空间并没有这一便利特性，从而使得德西特空间中的量子引力本质上更难考虑。

尽管我们最近取得了不错的进展，但仍然缺乏一种适当的量子引力方法来描述一个观测者在落入黑洞时的经历，而我们尤其不知道观测者在遭遇黑洞内部的奇点时会发生什么。

全息对偶是非常得力的，但我们只在几种特殊情形下能解析处理。我们能否更系统地理解，在什么条件下一个非引力的边界理论会具有一个有利于描述量子引力现象的全息对偶呢？

而我们又能否更具体地知道，用量子计算机来仿真量子引力，并且计算出科学上有意义的可观测性质需要什么样的资源呢？

• 量子引力：实验能帮忙吗?

最终，我们会希望利用量子计算机和量子仿真器在这些问题的一部分中取得进展；特别地，通过仿真强耦合量子多体系统并利用全息对偶，我们可以测量边界上的量子纠缠特性来探测对偶的量子几何。例如，我们也许可以通过线性响应测量给出边界观测量对易子的信息，进而了解体时空的定域性。

研究强混沌系统的纠缠动力学可以揭示量子信息是如何被置乱的，而这可能揭露体时空内弦理论的特征。或者在其它情况下，我们也许可以测量出准经典引力的量子修正，而这些很难解析地或者用经典计算机算出来。对体时空中极高能散射的仿真会是特别有启发性的。

或许仿真的指导能帮助我们领会超出反德西特时空的全息对偶描述。而我们也可能发现强耦合动力学的一些隐晦的特性在体量子引力的镜头下变得更易于解释。

一个已经频繁研究过的例子是，边界理论中的一种神秘的相干量子隐形传态在体理论中能非常自然地重新解释为可穿越空间虫洞中的量子信息传输。

我没能提到的一些内容

有一些重要的内容我在这次报告里没有机会提及，下面我列出其中的四个。

<01>

肖尔算法的发现对电子商务会有破坏性的效果，因为当强大的量子计算机随时可用时，我们现在用来保护隐私的公钥加密系统将不再安全。

全世界的应对方式是发展公认为可以抵御量子计算机攻击的全新经典加密系统。这是必须的，但部署这些新系统会是一个长期且昂贵的任务。

<02>

保护隐私的另一种方式是通过量子通信来分发安全密钥，比如将光子通过光纤或自由空间发送出去。

这里安全性依赖于量子物理的原理，而不是对我们敌手的计算能力的假设，因此有些协议实际上可以证明是安全的，哪怕我们用来分发密钥的设备不尽可信。

还不清楚全世界对利用量子加密来实现安全通信的需求会达到何种程度；无论如何，全球范围的量子密钥分发会用到如今仍处于萌芽期的一些新兴技术，比如延拓量子通信范围所用的量子中继器，而这又很可能依赖于可见光与微波单光子信号之间的来回变频。

跟量子计算的情况一样，我们对量子网络化最有影响力的未来应用仍然缺乏清晰的认识。

<03>

量子技术的发展也会改善传感器的灵敏度和分辨率，而传感器可以说有着广泛的应用，包括导航用的惯性传感器，勘测用的重力梯度仪，用于生物体非侵入性纳米尺度成像的磁强计，诸如此类。

此外，它还会有基础科学方面的应用，包括新物理搜寻中的对称性破坏寻找，暗物质探测，引力波的高灵敏度探测，以及由望远镜网络中的量子隐形传态带来的长基线光学干涉测量。

这些改善依赖于量子策略的发展，其中利用了压缩、纠缠以及量子纠错。

<04>

另一个重要的问题是：我们如何能确保量子计算给出了正确的答案？

在某些情况下，比如大数的因数分解，答案一旦找到是可以用经典计算机来轻易验证的，但并非总是如此，比如当我们仿真一个复杂的量子多体系统的性质时。

不过人们发展了一些巧妙的协议来验证量子计算机确实执行了分派的任务；这些协议利用了抗量子密码术的威力。

一个重要的挑战是降低这些验证协议的开支让我们在相对近期就可以使用它们，比如当我们把一个任务从云端发送到一个量子服务器，得到答案后想要确保它的可信性的时候。

结 论

总而言之，我们离量子计算的实际商业应用可能还有一段较长的路要走，而量子纠错很可能是我们最终能抵达那儿的关键。

不过接下来的五年一定会是激动人心的，我们将会见证容错量子计算的进展，并在探索量子物质的奇异性质上获得前所未有的机遇。

正如这次会议所展示的，量子信息的物理为兼具实际和基础意义的复杂多粒子量子系统的控制和探索提供了统一的观念和强力的技术。在量子计算机科学、量子硬件、量子物质以及量子引力的实践者们之间的交流引发了崭新的思想和见解，让我们所有人在探讨高度纠缠量子系统那些难以捉摸的性质时更加如鱼得水。

从长远来看，量子科学和技术面临着巨大的挑战，需要在基础研究和系统工程上都取得大量的突破才能实现我们的夙愿。我们才刚刚起步。

原文：

The Physics of Quantum Information，John Preskill, arXiv: 2208.08064, https://arxiv.org/abs/ 2208.08064

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自左芬科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-863936-1354478.html

左芬：上海微观纪元数字科技有限公司算法总监。中国科大理论物理学博士，本科就读于中国科大少年班，在中科院理论物理所、高能物理所、意大利国家核物理研究所从事博士后工作，曾任华中科技大学副教授。主要研究方向为粒子物理、弦论、量子计算和相关代数结构。