用量子计算机构建虚拟宇宙需要多长时间？

原温迪世界顶尖科学家论坛

编者按：第四届世界顶尖科学家论坛于今年11月1日至3日在上海临港新区举行，论坛试点活动于10月30日至31日开展。 围绕“开放科学：共建开放创新生态”这一年度主题，全球“最强大脑”就近百个前沿科学问题进行了交流和研讨。 我们将一步步带您回顾精彩的论坛内容。

在世界顶级科学家量子计算论坛上，2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克和2012年诺贝尔物理学奖得主戴维·J·怀恩兰分别发表了伟大的个人演讲，设想了一个由量子计算机构成的宇宙。

量子计算论坛 | 照片：WLF

Wilczek 首先介绍了量子色动力学以及量子计算对围绕量子和计算相关物理的主题的影响。 即使借助超级计算机和大规模计算，也很难通过数值求解量子色动力学方程来揭示时空中的量子涨落和相关粒子的质量。 但量子计算机不仅可以简化这些复杂的计算，还可以在单​​核内构建粒子，构建原子核，细化到原子，甚至整个世界。

威尔切克 | 照片：WLF

然后Wilczek详细介绍了anyons，这可能对量子计算非常有用。 它们虽然不能存在于自由空间中，但可以存在于特定物质中，并具有相互纠缠的性质。 它们之间的交互取决于路径拓扑。 Anyon-complex path functions 可以用作存储和操作信息的方式来制造拓扑量子计算机。

这种拓扑量子计算机会有很大的优势，因为目前量子计算机面临的一大挑战就是量子信息非常脆弱，容易受到干扰。 然而，如果我们拥有的信息逻辑上存储在任意子上，这些路径的拓扑结构会由于外部扰动或小噪声源而轻微摆动量子计算机影响比特币，但由于路径的拓扑结构不会改变，因此不会存储和操纵量子信息这样就不会被破坏。

最后，Wilczek 重点介绍了时间晶体，指出它不仅是量子计算的试验场量子计算机影响比特币，也是一个非常有趣的物理系统。 他对量子模拟器和非常有创意的方法可以用来检验理论和构建新的时间晶体做出了突破性的预测，并具体给出了两种方法：方法一，利用量子模拟器准确描述氮空位中心的特性，并利用Manipulate them用外场和非常复杂的方法，构建一个理论时间晶体，并测试其正确性； 第二种方法是使用谷歌备受关注的平面树量子计算机作为量子模拟器，构建更复杂的时间晶体模型。

目前，该领域最前沿的研究更多关注的是如何构建一个创造性地利用噪声的模型。 这形象地说明了物理学中的思想可以用来提高我们的计算能力，而更好的计算能力也为我们提供了更多新的方式来提出和回答有趣的物理问题。

从历史回顾的角度，Vineland从最早的David Deutsch引入了对量子图灵机的思考，提出了最初的量子计算算法； 为了研究它的安全性，他长期研究量子密码学； 80年代初，理查德·费曼在可逆经典计算会议上提出了一个伟大而有趣的想法——使用量子系统作为最好的可逆机器，因为从原理上讲，量子态是完全可逆的； 20 世纪 90 年代中期，Peter Shor 提出了一种算法，并预测如果能够制造出这样的计算机，可以有效地影响大量数据的计算，引起了情报界的极大兴趣，因为大量的加密文档每天都在使用，它们的安全性可能会受到损害，因为计算机无法集中精力处理大量数据。

葡萄园 | 照片：WLF

然而，今天，我们距离构建有用的量子计算机还有很长的路要走，尽管我们已经看到可以使用 Peter Shor 的算法在一个平台上破解代码。 值得强调的是，一旦有了量子计算机，经典加密系统的很多问题就会慢慢消失，因为很多信息都可能被破解。

但是量子系统仍然存在一个巨大的问题——它们非常容易受到噪声的影响，尤其是那些使用量子计算的系统。 为了纠正量子信息中的错误，需要消耗大量的量子比特。 目前，纠错还是一件非常困难的事情。 为了进行无纠错的量子通信，John Preskill 提出了“噪声中尺度量子”的概念和思想。 目前，该领域已经取得了一些进展。 如果能在这期间产生一些有趣的中尺度系统，必将大大刺激通用量子计算机的工作。

未来量子计算研究的愿景是更好的量子比特和更好的控制。 量子至上意味着量子计算机在解决某些特定问题时，效率和速度远超经典计算机。 这是一个有用的基准。 但迄今为止已经解决的所有问题都没有展示出量子计算的真正威力。

我们还需要其他基准测试工具来帮助我们开发计算机，直到我们实现量子计算机的宇宙。 这还有很长的路要走，但随着量子计算的发展，许多其他领域最终都会受益，比如量子传感。